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甲基化與組蛋白:兩個開關

近距離認識這套機器:停靠在 CpG 島上的甲基基團、收緊或放鬆線軸的組蛋白尾巴,以及染色質重塑如何讓基因從可讀變為沉默。

開關一:DNA 甲基化

DNA 甲基化是研究最深入的標記。一種叫 DNA 甲基轉移酶的酶把一個小小的甲基基團(-CH₃)連接到一個 胞嘧啶鹼基上——幾乎總是在序列中 C 緊挨著 G 的位置,寫作 CpG。這類密集的區段稱為 CpG 島,它們聚集在許多基因起始處(啟動子)附近。

經驗法則是:啟動子上的重度甲基化通常意味著該基因被關閉。甲基標籤要麼從物理上阻擋本應開始讀取的 轉錄因子,要麼招募把 DNA 緊密包裹起來的蛋白質。這是 基因沉默的主要途徑之一。關鍵在於,這種模式在 DNA 複製時會被複製到兩條子鏈上,所以「關閉」的記憶能在細胞分裂後存續。

Unmethylated promoter (CpG island):
  5'- ...C G...C G...C G... -3'   <- transcription factors land
        |   |    |           ->  GENE ON

Methylated promoter:
  5'- ...Cme G...Cme G...Cme G -3' <- factors blocked, DNA packed
        x    x      x          ->  GENE OFF (silenced)
啟動子 CpG 上的甲基基團通常關閉基因,且該模式可遺傳。

開關二:組蛋白與染色質

DNA 並非自由漂浮。它纏繞在線軸般的 組蛋白上,每個「線軸加 DNA」單元就是一個 核小體;串在一起便構成 染色質。組蛋白有伸出的柔性「尾巴」,細胞會用化學標籤裝飾這些尾巴——統稱 組蛋白修飾。有些標籤(如某些乙醯基)放鬆包裝,使基因變得可讀;另一些則收緊包裝,使基因沉寂。

當馬達蛋白主動滑動、彈出或重新包裝核小體,以暴露或隱藏某個基因時,這一過程稱為 染色質重塑。開放、鬆散包裝的染色質通常是活躍的;緊密濃縮的染色質通常是沉默的。甲基化與組蛋白標記之間不斷對話——一個甲基標籤能吸引收緊組蛋白的酶,從兩個方向鎖定「關閉」狀態。