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基因组的结构构成

3D基因组的结构与组成

    

    生命体的遗传功能元件,包括编码基因、非编码基因、顺式调控元件等,在空间结构上,并不是在染色体上呈线性地一字依次排开,而是随着DNA形成复杂高级结构的同时,具备了三维组织形式。

    

    如下图所示,DNA双链像纠缠在一起的电话线一样,一圈圈地螺旋缠绕,压缩,最终形成染色质。我们可以看到30nm的核纤维经过环形折叠形成染色质。这种结构使得一维层面上相隔比较远的DNA区域反而靠的更近。比如下图中的ABCD四个点,若以A为参照物,CB远,但由于基因组形成了高级结构,反而把AC拉得更近。这个示意图还提示了另外一个问题,即同一条染色体上的某些区域,可能很难互相接触,比如BD之间就,被环状结构给隔开了。

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    DNA这种相对稳定的高级结构,是由蛋白质来维持的。这些蛋白大多是一些转录因子、辅助因子等调控元件,其中CTCF是一个重要的成环蛋白。除了这些调控元件外,还有需要一类重要的蛋白去稳固这种高级结构,这类重要的蛋白就是黏着蛋白,它由SMC1SMC3RAD21STAG1/2组成,其中SMC1SMC3头尾相连组成一个环形,两蛋白的尾部是由相互作用的,紧密靠在一起,其头部游离,RAD21与两个蛋白的头部相结合,STAG1/2蛋白进一步加固结合。黏着蛋白是一个蛋白复合物,它像戒指一样固定在环的开口处,维持环的稳定性,标志性的黏着蛋白为RAD21蛋白。

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    这种环形结构在体内并不是松散排布的。这些环形的染色质折叠让一些DNA片段彼此靠近并发生互作,这样的区域称为拓扑相关结构域TADTAD是非常长的DNA片段,在其中DNA形成了包含组蛋白、调节蛋白和转录因子的大型三维结构。每个TAD包含一个或多个基因连同其所有的调控元件。它们的结构在进化上是保守的,可能存在于不同的细胞类型以及各种物种中。一段TAD内的调控元件只能在“它们”的TAD中起作用;相反,在邻近TAD中的基因不受它们的影响。TADs通过许多边界元件隔开的,其中CTCF就是一个重要的TAD边界元件。

 





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