12通过转录与染色质结构的耦合调控可变剪切

Regulation of Alternative Splicing Through Coupling with Transcription and Chromatin Structure

Abstract

遗传信息从DNA到蛋白质的传递过程中，可变的pre-mRNA剪切扮演者至关重要的作用。同时可变剪切通过调节转录，来决定细胞或者是组织专一的特征，调节细胞的正常功能，以及对外界的响应。在人类中被证实，可变剪切如果不够保守可能会导致一系列的疾病。文章围绕了染色质结构、DNA甲基化、组蛋白修饰、核小体位置，在可变剪切中起到的调控作用。同时RNAPⅡ延长的动力学特性、招募剪切因子、衔接蛋白到染色质组分中，起着调控可变剪切的作用。

introduction

真核生物的基因由内含子和外显子组成，可变剪切的出现在进化上有两个优势。

• 通过外显子的改组，改变内含子从而产生新的基因

• 使得单个基因能够产生多种成熟的mRNA，扩大了真核生物基因组的编码能力

文章 The evolution of metazoan extracellular matrix

在脊椎动物和无脊椎动物中，蛋白编码的基因的数目上没有差别，但是平均每个基因的isform数目存在差异；说明可变剪切在脊椎动物中更普遍存在。同时在多细胞和单细胞生物的比较中，内含子的长度和数量上也存在很大的差异，这比脊椎动物和无脊椎动物间的差异更加明显。举列子“锥虫和酵母"

可变剪切参与到转录调控信号途径中，例如：转录因子、染色质结构。RNAPⅡ标记第一个外显子的5'端，切割pre-mRNA的位点。未剪切的pre-mRNA通常被称作为主要的转录本。剪切的过程通常是一个核糖体结合蛋白剪切复合体，在每个内含子的剪切位点进行组装。每个剪切位点包含一段保守的序列能够被剪切位点识别（图1a)。图中就包括了两种剪切的方式：

通常来说强的剪切位点更有效率被剪切复合体识别，相比于弱的剪切位点，强剪切位点与弱剪切位点的竞争就导致了可变剪切的发生

• 剪切内含子

• 剪切外显子

识别方式

顺式作用元件与反式作用因子都可能调控可变剪切，同时由于可变剪切与转录耦合在一起，调节转录的因子同样会影响可变剪切。

Result

1. 转录与可变剪切耦合

   • 电子显微镜下观察到转录过程中RNA loop

   • 对RNA测序，比对回去后发现在intron中比对到的read梯度递减，而在inreon-exon连接处则急剧增加

   • 在酵母和哺乳动物的转录过程中，招募剪切因子进行可变剪切，说明这个机制在不同物种中都是保守的受到选择压。

   如何得到剪切位点与转录相互联系的证据

   • 在不同时间点，发育阶段检测RNA

   • 外显子的丰度与RNA延伸的速率负相关，可能是由于RNAPⅡ在外显子的地方停下来了

2. 转录延伸速率与可变剪切

   • 药物抑制RNAPⅡ延伸，能够促进更多的外显子被inclusion

   • 促进更开放的染色质状态或者促进RNAPⅡ延伸导致exon skip

   • 抑制RNAPⅡ同样会增加negative regulatory splicing对alternative exon的调控，使得alternative exon被剪切

3. 染色质结构对可变剪切的影响

   每个核小体由8个组蛋白组成，包裹147bp的双链DNA

   • 核小体更倾向于定位在外显子区域，尤其是constitutively exon。

   认为核小体起着减速带的效果，减少RNAPⅡ的延伸速率。促进exon definition。

   核小体的定位以及染色体结构能够被一些重塑因子改变，从而改变基因的转录和剪切。

   重塑因子： SWI/SNF, ISWI, CHD, and INO80

4. 组蛋白修饰与DNA甲基化

   组蛋白的修饰影响组蛋白与DNA之间的结合能力，因此两者之间的结合反应了染色质的状态。

   例如带负电荷的组蛋白修饰与DNA上的负电荷相互排斥，形成一个更加开放的染色质结构，正电荷的修饰则会使得染色质进一步压缩。

   • 过度的乙酰化导致染色质更加开放，使得RNAPⅡ加速延伸，减少了inclusion exon

   • 组蛋白修饰同样可以招募剪切因子，影响基因的剪切

DNA甲基化影响可变剪切位点的识别

 DNA甲基化通过甲基绑定蛋白**MBDs**招募组蛋白修饰酶，来改变周围的染色质结构，从而影响到**RNAPⅡ**的延伸速率

DNA-methylation effect on cotranscriptional splicing is dependent on GC architecture of the exon–intron structure

• exon比intron更高frequency 甲基化

• constitutively exon比excluded exon更高的甲基化

• 5‘剪切位点比3’剪切位点高

  DNA的过度甲基化与组蛋白的去乙酰化导致转录的抑制。

1. Small interfering RNA影响chromatin来影响可变剪切

   siRNA靶向启动子区域，并且促进一些基因沉默标记H3K9me2 H3K27me3的产生，，从而抑制基因的转录；这与转录后的RNAi调控是不同的。

   • 与靶向启动子区域不同，siRNA通过靶向内含子与alteractive exon，产生转录障碍，促进inclusion更多的exon

siRNA在可变剪切中的调控作用

1. 进化的角度理解可变剪切

   通过理解可变剪切的起源以及进化过程，能够更好的理解一些生物学现象。

   如果一个事件出现在两个生物的共同祖先中，并且百万年之后仍旧维持着，说明这个东西是由功能的受到了选择压力。

   在动物中外显子的跳跃事件更加频繁而植物中内含子的保留更加频繁，这也说明两者通过不同的方式实现基因组的多态性。植物中的这种方式看起来似乎更加合理一些，植物中的全基因组复制事件，能够让一部分基因保持原有的能够不变，同时又让一部分基因可以积累突变。虽然大多数的基因突变是有害的，但是只要有小部分的基因产生了新的功能就能够导致新物种的形成。

   • constitutively exon比alternative exon更强的split sites

   • 组成型的外显子侧翼的内含子更短相比可变的exon

   弱的剪切位点与侧翼长的intron都不利于剪切复合体有效的识别

constitutively exons 会向alternatively exon转变

在进化过程中，突变导致剪切位点信号的弱化是的组成型外显子向可变外显子转变

The “alternative” choice of constitutive exons throughout evolution.