开关一:DNA 甲基化
DNA 甲基化是研究最深入的标记。一种叫 DNA 甲基转移酶的酶把一个小小的甲基基团(-CH₃)连接到一个 胞嘧啶碱基上——几乎总是在序列中 C 紧挨着 G 的位置,写作 CpG。这类密集的区段称为 CpG 岛,它们聚集在许多基因起始处(启动子)附近。
经验法则是:启动子上的重度甲基化通常意味着该基因被关闭。甲基标签要么从物理上阻挡本应开始读取的 转录因子,要么招募把 DNA 紧密包裹起来的蛋白质。这是 基因沉默的主要途径之一。关键在于,这种模式在 DNA 复制时会被复制到两条子链上,所以“关闭”的记忆能在细胞分裂后存续。
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)开关二:组蛋白与染色质
DNA 并非自由漂浮。它缠绕在线轴般的 组蛋白上,每个“线轴加 DNA”单元就是一个 核小体;串在一起便构成 染色质。组蛋白有伸出的柔性“尾巴”,细胞会用化学标签装饰这些尾巴——统称 组蛋白修饰。有些标签(如某些乙酰基)放松包装,使基因变得可读;另一些则收紧包装,使基因沉寂。
当马达蛋白主动滑动、弹出或重新包装核小体,以暴露或隐藏某个基因时,这一过程称为 染色质重塑。开放、松散包装的染色质通常是活跃的;紧密浓缩的染色质通常是沉默的。甲基化与组蛋白标记之间不断对话——一个甲基标签能吸引收紧组蛋白的酶,从两个方向锁定“关闭”状态。