染色质结构与功能:指南

染色质由组蛋白和 DNA 组成:147 个碱基对的 DNA 缠绕在 8 个核心组蛋白周围,形成基本的染色质单元,即核小体。

染色质的功能是将 DNA 高效包装成小体积,以适合进入细胞的细胞核,保护 DNA 结构和序列。将 DNA 包装到染色质中可确保有丝分裂和减数分裂,防止染色体断裂,并控制基因表达和 DNA 复制。

DNA wraps around the histone proteins to form nucleosomes

图 1:染色质形成。 DNA 缠绕在组蛋白周围,形成核小体;核小体再结合成染色质纤维。1)未包装的 DNA。2)DNA 缠绕组蛋白八聚体,形成核小体。3)核小体压缩成染色质纤维。​

异染色质是染色质的紧密排列形式,可以沉默基因转录。异染色质构成端粒、中心周围区域和富含重复序列的区域。常染色质凝缩较少,含有活性最强的转录基因。

某些蛋白质 — 包括组蛋白、诸如转录因子等与染色质相互作用的蛋白质和 DNA 修复机制 — 在形成染色质结构中起作用。

染色质重塑复合物可以通过调节核小体和 DNA 之间的相互作用(通常是通过给组蛋白添加翻译后修饰)来改变染色质结构。

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染色质相关因素分析

由于其凝聚态和重复的 DNA 序列,很难对异染色质进行分析。然而,常染色质所面临的挑战较少,因为它包含活性基因,并且结构开放、疏松。

染色质免疫沉淀 (ChIP) 是研究染色质修饰的首选技术。它可以用来解析染色质与其相关因子相互作用的时空动态,包括转录因子和组蛋白修饰。这种技术可以绘制单个启动子上染色质相关蛋白的每分钟变化,或确定它们在整个人类基因组上的结合位点。

图 2:ChIP 实验流程示意图。1)DNA 和蛋白质交联(可选)。2)通过超声或酶法进行染色质破碎。3)与目的蛋白相互作用的染色质片段的免疫沉淀或修饰。4)逆转交联(必要时)和 DNA 纯化。5)分析免疫沉淀的组分,以确定靶序列相对于输入的丰度。常见的方法包括 qPCR、ChIP-seq 和 ChIP-ChIP。

ChIP 的原理很简单:选择性富集含有特定抗原的染色质组分。识别目的蛋白或蛋白修饰的抗体可用于确定该抗原在基因组中一个或多个位置(位点)的相对丰度。

相关 ChIP 产品

ChIP 完成后,可采用终点 PCR 和/或定量 PCR (qPCR) 验证特定 DNA 序列是否与目的蛋白相关。研究人员利用这些方法可以评估目的蛋白与数量有限的靶 DNA 序列的相互作用(图 3)。

Chip performed on hela cells

图 3: 使用抗组蛋白 H3K4me3 抗体 (ab8580) 和 ChIP 试剂盒-一步法 (ab117138) 在 HeLa 细胞上进行 ChIP。空白中未加入抗体。通过 RT-PCR 定量免疫沉淀的 DNA。引物和探针位于转录区域的第一千碱基。

现在可以通过将 ChIP 与微阵列平台 (ChIP-ChIP) 或下一代测序技术(ChIP-ChIP;图 4)偶联来分析一个组蛋白修饰或染色质相关蛋白的全基因组分布。

ChIPseq results

图 4: 使用抗组蛋白 H3K4me3 抗体 (ab8580) 获得的正常细胞与癌细胞的 ChIP-seq 数据。ChIP-seq 图谱快照采用 IGV 创建,由 Broad 研究所提供。

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