染色质重塑

第1节　染色质重塑

核小体结构的存在为染色质包装提供了便利，但DNA与组蛋白八聚体紧密结合却为基因的表达设置了障碍，要打破这一障碍获得有活性的染色质结构，可通过染色质重塑来实现。这种在能量驱动下，从无转录活性的染色质构型改变为有转录活性的染色质构型的过程称为染色质重塑（chromatin remodeling）。染色质重塑的发生和组蛋白N端尾巴修饰密切相关，尤其是对组蛋白H3和H4的修饰。修饰直接影响核小体的结构，并为其他蛋白提供了和DNA作用的结合位点。染色质重塑和组蛋白修饰均由各自特异的复合物来完成，两者发生的先后顺序与启动子序列的特异性有关；后与启动子结合的复合物有助于维持两个复合物与启动子的稳定结合，且两复合物又可相互加强对方的功能。染色质重塑复合物、组蛋白修饰酶的突变均和转录调控、DNA甲基化、DNA重组、细胞周期、DNA的复制和修复的异常相关，这些异常可以引起生长发育畸形，智力发育迟缓，甚至导致癌症。

一、核小体定位

核小体是染色质的基本单位，由146bp的DNA片段紧密缠绕在组蛋白八聚体上所形成的一个复合体结构，2个相邻的核小体由DNA片段连接，多个核小体的顺次连接形成染色质。核小体与DNA的相互作用是一个动态的作用过程，核小体的位置并不是恒定不变的。在多数情况下，没有核小体结合的DNA区域易于各种调节蛋白的接近与结合。因此人们推测核小体的定位与基因的转录之间存在某种内在联系。

核小体在基因组DNA分子上的精确位置称为核小体定位。可分为描述DNA特定位点与核小体核心相对线性位置的平移定位，以及描述DNA双螺旋与组蛋白八聚体相对方向的旋转定位。通过对大片段DNA研究，目前学者发现核小体定位有两种基本机制：①在组蛋白核心颗粒上结合的DNA不是随机的，在一定情况下它是由内在的DNA序列决定的内在定位机制；②在确定的核小体后，以一定的长度特性装配下一个核小体的外在定位机制。

核小体在基因组上的结合位置并非随机分布的，而是由DNA本身所携带的核小体定位信息所编码的。对大量基因组序列的分析显示，某些特定结构的DNA序列可以作为核小体定位的信号：①一些简单序列如AA、AAA可以形成弯曲的DNA结构，可能是核小体的基本定位信号。②（CA）_n或（GC）_n趋向于形成Z－DNA结构，而PyPu区域DNA容易形成三股螺旋，这样的结构具有排斥核小体的能力。上述不同的DNA结构特征赋予DNA分子对核小体组蛋白颗粒不同的亲和力，无论亲和或排斥都是核小体定位的定位特性。

通常认为核小体的定位时机是在核小体与DNA的相互选择过程中，即DNA复制和转录中。DNA复制与核小体加入是一个偶联的事件，核小体解体和重建过程中没有新的定位机制。在转录过程中，DNA修复和重组过程中核小体可能发生重新定位。

核小体定位的意义在于：①指导遗传物质的正确包装。核小体的规则性分布对于染色质包装为二级结构螺旋管至关重要。②影响染色质的功能。核小体的定位使得一些DNA片段被封闭，而另一些DAN片段暴露，从而调节基因组的功能状态。

二、染色质重塑

人类许多重要生命过程的发生依赖于功能大分子与DNA的相互作用。机体内存在着使核小体稳定性发生变化的调节机制以适应不同需要。通常把染色质和单个核小体内发生的任何可检测到的变化称为染色质重塑。

在真核生物中，基因转录的起始和染色质的结构之间有着密切的联系。染色质重塑复合物（chromosome remodeling complex）通过改变染色质结构，调控基因表达，进而影响细胞的生物学功能。根据作用原理的不同，染色质重塑复合物一般分为两类：一类是借助ATP水解产生的能量改变核小体的位置，使核小体发生重排，这一类染色质重塑复合物有SWI／SNF（mating type switch／sucrose non－fermenting）、RSC（remodels the structure of chromatin）等，它们都有一个共同的结构特征，即都包含一个ATPase催化亚基。这些复合物不仅在基因转录起始阶段有重要作用，而且在转录延伸、DNA复制起始和DNA损伤修复过程中也起到了一定的作用；另一类染色质重塑复合物则是通过对组蛋白尾部特定氨基酸进行共价修饰，导致组蛋白和DNA结合发生松动，进而对目标基因表达进行调控。其修饰类型包括甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等。这一类的染色质重塑复合物如SAGA（Spt－Ada2Gcn5－acetyltrans－ferase）的Gcn5亚基负责对H3和H2B组蛋白尾部的赖氨酸进行乙酰化；NuA4（nucleosoma－lacety ltransferase of histone H4）的Esa1亚基负责对H4和H2A组蛋白尾部的赖氨酸进行乙酰化。

下面介绍其中几种。

1.SWI／SNF复合物

SWI／SNF复合物是20世纪90年代初在酿酒酵母中发现的酵母交配型转换／蔗糖不发酵复合物（yeast mating type switch／sucrose non－fermenting，SWI／SNF）。它可对酵母HO基因及SUC2基因表达起正调控作用。其突变导致酵母的生长缓慢，但可以被染色质结构蛋白，如组蛋白、高迁移率组相关蛋白基因的突变所补偿。说明该复合物的功能可能在于影响染色质结构的稳定性。研究证实SWI／SNF复合物参与染色质重塑。DNaseⅠ消化分析实验中，核小体DNA由于其在组蛋白上的缠绕状态，可被DNaseⅠ周期性消化产生10bp梯度图谱。当体系中加入SWI／SNF复合物及ATP时，这种酶切图谱即被打乱。证明在SWI／SNF复合物的作用下，核小体相位发生了改变。SWI／SNF复合物在哺乳动物中起核受体辅助因子的作用，并可对细胞生长、珠蛋白基因表达进行调控。

有关SWI／SNF引起的ATP依赖的染色质重塑机制目前有以下几种模型：①SWI／SNF可能引起组蛋白H2A－H2B二聚体同核小体的解离或重排；②引起组蛋白八聚体的构象变化；③SWI／SNF利用ATP水解的能量使组蛋白与DNA解聚，复合物本身沿DNA链移动；④SWI／SNF与核小体直接结合，利用ATP水解的能量改变DNA的缠绕方式或把DNA从八聚体表面削下而不影响组蛋白八聚体的结构。在ATP和SWI／SNF存在的情况下，多核小体重塑表现为组蛋白八聚体在DNA上不断转位的动态过程，而单核小体重塑则表现为组蛋白八聚体滞留在DNA两端。

2.RSC复合物

染色质结构重塑（re－model the structure of chromatin，RSC）复合物是从啤酒酵母中纯化并鉴定出来的。其大小约1×10³kD，由16条多肽组成。RSC也能以ATP依赖的方式影响核小体中DNA－组蛋白相互作用，但它在酵母中的含量至少比SWI／SNF丰富10倍，且两者标靶基因不同。因此，RSC复合物可能具有比SWI／SNF更为广泛的功能，除了参与转录过程的调控，还可能在DNA复制或染色体组织中起作用。

3.NURF复合物

核小体重塑因子（nucleosome remodeling factor，NURF）来自果蝇胚胎，可以和GAGA因子一起改变果蝇hsp70处的染色质结构。它由4个亚基组成，分子量约0.5×10³kD，其中的ISWI（imitation switch）亚基与SWI2／SNF2类似，具有ATPase活性。NURF、RSC、SWI／SNF都可催化转录因子在单个核小体上的结合，但NURF的ATP酶活性只能被核小体激活，而RSC、SWI／SNF的活性可由核小体或自由DNA所激活。

对核心组蛋白尾部的修饰，尤其是乙酰化修饰，与染色质结构变化密切相关。组蛋白乙酰化与基因活化以及DNA复制相关，组蛋白的去乙酰化和基因的失活相关。乙酰化转移酶（HATs）主要是在组蛋白H3、H4的N端尾上的赖氨酸加上乙酰基，去乙酰化酶（HDACs）则相反，不同位置的修饰均需要特定的酶来完成。乙酰化酶家族可作为辅激活因子调控转录，调节细胞周期，参与DNA损伤修复，还可作为DNA结合蛋白。去乙酰化酶家族则和染色体易位、转录调控、基因沉默、细胞周期、细胞分化和增殖以及细胞凋亡相关。

4.SAGA复合体

染色质重塑复合体SAGA是一个分子量为1.8MD的多功能蛋白复合体。它包含以下几类蛋白：转录接头（adaptor）蛋白Ada1、Ada2、Ada3、Ada5PSpt20、Gcn5；Spt蛋白Spt3、Spt7、Spt8；TBP相关的蛋白TAF5、TAF6、TAF9、TAF10、TAF12；Tra1蛋白；其他蛋白Sgf29、Sgf73、Sgf11、Sus1、Chd1、Ubp8。Gcn5具有乙酰化和结合乙酰化组蛋白的功能，它必须与Ada2和Ada3蛋白一起才能乙酰化核小体的组蛋白。SAGA复合体主要参与了压力诱导型基因的表达，如在氨基酸饥饿的情况下，SAGA被招募到His3、His4等氨基酸合成酶基因的启动子上，导致细胞内氨基酸合成酶大量增加。基因芯片和生物信息学分析表明，SAGA所调控的基因启动子上大多数有明显的TATA box，酿酒酵母启动子上有TATA box的基因占全基因组的10%左右，而具有TATA box的基因又大部分是压力诱导型基因。

目前，已发现有多个基因的启动子可同时受这两类染色质重塑复合物的调控，如GAL1、ARG1基因，SWI／SNF和SAGA都能结合在其启动子区域，对染色质进行重塑，使GAL1、ARG1基因起始转录。