染色質(zhì)重塑調(diào)控生物溫度適應(yīng)性的研究進(jìn)展

冀順霞, 王曉迪, 申曉娜, 劉萬(wàn)學(xué), 萬(wàn)方浩,2, 呂志創(chuàng)*

1中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所，植物病蟲(chóng)害生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)研究室，北京 100193；2中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所，廣東 深圳518120

溫度是影響生物體生長(zhǎng)發(fā)育的重要環(huán)境因子之一，其細(xì)微的變化能極大地影響生物的生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖等行為。受全球氣候變化特別是氣溫上升的影響，陸地生態(tài)系統(tǒng)的生物分布及豐富度將發(fā)生巨大改變，并將影響物種的擴(kuò)散和發(fā)生成災(zāi)(Deutschetal.,2008; Paulietal.,2012)。為了探明生物體如何適應(yīng)外界環(huán)境溫度的變化，研究其表型可塑性尤為重要。響應(yīng)環(huán)境溫度變化的表型可塑性機(jī)制包含2個(gè)層次：在遺傳層面，通過(guò)DNA序列改變所致基因功能變化的、長(zhǎng)期的、不可逆的溫度適應(yīng)性機(jī)制(Lancasteretal.,2016)；在表觀遺傳層面，通過(guò)非DNA序列改變所致基因表達(dá)水平變化的、短期的、可逆的溫度適應(yīng)性機(jī)制(Kreβetal.,2017)。大量研究證實(shí)，表觀遺傳可以提供比遺傳機(jī)制更快的響應(yīng)機(jī)制，從而促使生物體快速適應(yīng)不良環(huán)境條件(Kumar,2018; Mirouze & Paszkowski,2011; Zhangetal.,2013)。因此，近年來(lái)溫度適應(yīng)性的表觀遺傳調(diào)控研究備受關(guān)注。

染色質(zhì)重塑是表觀遺傳學(xué)重要的組成部分之一。在真核生物中，將DNA包裝到染色質(zhì)對(duì)于其基因組的組織和表達(dá)至關(guān)重要(Coronaetal.,2007)，染色質(zhì)構(gòu)型整體和局部的動(dòng)態(tài)改變是基因功能調(diào)控的重要因素。為了保證染色質(zhì)中DNA與蛋白質(zhì)的動(dòng)態(tài)結(jié)合，細(xì)胞內(nèi)進(jìn)化產(chǎn)生了一系列特異的染色質(zhì)重塑因子。在生物體受到逆境脅迫時(shí)，這些重塑因子可以介導(dǎo)體內(nèi)染色體的重塑過(guò)程，它們通過(guò)調(diào)控脅迫相關(guān)基因的表達(dá)來(lái)改變生物體的生理狀態(tài)，最終達(dá)到使生物體適應(yīng)環(huán)境的目的。本文從表觀遺傳與溫度適應(yīng)性、染色質(zhì)重塑復(fù)合物的分類(lèi)和組成、染色質(zhì)重塑的主要方式以及染色質(zhì)重塑在溫度適應(yīng)性中的研究等方面予以綜述，闡述了染色質(zhì)重塑調(diào)控生物溫度適應(yīng)性的研究進(jìn)展。

1 表觀遺傳與溫度適應(yīng)性

表觀遺傳是指在基因的DNA序列沒(méi)有發(fā)生改變的情況下，基因功能發(fā)生了可遺傳的變化，并最終導(dǎo)致了表型的變化。主要包括染色質(zhì)重塑、組蛋白修飾、DNA甲基化以及非編碼RNA這4個(gè)方面，它們可以在短時(shí)間內(nèi)提高生物對(duì)環(huán)境脅迫的快速適應(yīng)能力(Anetal.,2017; Stankiewiczetal.,2013)。大量研究證實(shí)，表觀遺傳可以提供比遺傳機(jī)制更快的響應(yīng)機(jī)制，從而促使生物體快速適應(yīng)不良環(huán)境條件(Kumar,2018; Mirouze & Paszkowski,2011; Zhangetal.,2013)。因此，從表觀遺傳角度來(lái)研究生物體溫度適應(yīng)性成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。

1.1 表觀遺傳簡(jiǎn)介

表觀遺傳(epigenetics)一詞最早由胚胎學(xué)家和發(fā)育生物學(xué)家Waddington于1942年提出，用來(lái)描述基因型如何通過(guò)與環(huán)境相互作用而產(chǎn)生表現(xiàn)型(Waddington,2012)。隨后，表觀遺傳被定義為是一種在細(xì)胞分裂過(guò)程中無(wú)法用DNA序列改變來(lái)解釋基因功能的可遺傳性改變(Holliday & Pugh,1975; Robertson,1996)。目前，人們關(guān)于表觀遺傳的概念已達(dá)成共識(shí)，即認(rèn)為表觀遺傳是指染色體改變所引起的穩(wěn)定并且可遺傳的表現(xiàn)型，而DNA序列并未發(fā)生變化(Bird,2007)。表觀遺傳為表現(xiàn)型與基因型之間的聯(lián)系提供了一種合理的解釋機(jī)制(Ghalamboretal.,2015; Jaenisch & Bird,2003)。近年來(lái)，關(guān)于表觀遺傳調(diào)控機(jī)制的研究主要集中在染色質(zhì)重塑、DNA甲基化、組蛋白修飾、非編碼RNA等方面。

1.2 表觀遺傳與溫度適應(yīng)性的研究概況

與經(jīng)典遺傳學(xué)不同，表觀遺傳學(xué)在不改變DNA序列的情況下響應(yīng)環(huán)境變化而對(duì)基因表達(dá)產(chǎn)生快速而持久的影響(Anetal.,2017; Stankiewiczetal.,2013)。表觀遺傳誘導(dǎo)的表型變異是一種可逆的改變，可以調(diào)控生物體對(duì)環(huán)境波動(dòng)的快速響應(yīng)，從而提高生物對(duì)環(huán)境脅迫的適應(yīng)能力(Johannesetal.,2009; Kumar,2018; Mirouze & Paszkowski,2011)。

染色質(zhì)重塑因子在擬南芥Arabidopsisthaliana(L.)應(yīng)對(duì)溫度脅迫過(guò)程中發(fā)揮重要作用(Mlynarovaetal.,2007)。如，重塑因子AtCHR12是一種負(fù)調(diào)控因子，將AtCHR12過(guò)表達(dá)體暴露于高溫脅迫環(huán)境下會(huì)導(dǎo)致擬南芥初生莖和初生芽的生長(zhǎng)停滯，且生長(zhǎng)停滯應(yīng)答反應(yīng)依賴(lài)于溫度脅迫的嚴(yán)重程度。在釀酒酵母Saccharomycescerevisiae中重塑因子SNF2(sucrose nonfermenting, SNF)通過(guò)激活熱激轉(zhuǎn)錄因子HSF1(heat shock transcription factor 1)下游基因表達(dá)或通過(guò)調(diào)節(jié)核小體定位來(lái)抑制核糖體蛋白基因表達(dá)，而在熱脅迫反應(yīng)過(guò)程中發(fā)揮激活或抑制基因表達(dá)的雙重作用(Shivaswamy & Iyer,2008)；重塑因子SWI3(switching defective, SWI)、SNF5、SWP82、SWI1的突變頻率與釀酒酵母耐高溫表型呈正相關(guān)(Huangetal.,2018)。在果蠅Drosophilamelanogaster中重塑因子NURF301(nucleosome remodeling factor, NURF)缺失會(huì)導(dǎo)致熱激蛋白基因hsp26和hsp70(heat shock protein gene, hsp)轉(zhuǎn)錄過(guò)程受阻(Badenhorstetal.,2002)。煙粉虱Bemisiatabaci(Gennadius)中重塑因子ISWI基因在高低溫脅迫條件下會(huì)發(fā)生過(guò)表達(dá)，干擾該基因后煙粉虱成蟲(chóng)的耐熱性和耐寒性均顯著降低(Jietal.,2020)。

DNA甲基化和組蛋白修飾對(duì)生物體溫度適應(yīng)性也有重要影響。甲基轉(zhuǎn)移酶MET 1(methyltransferase 1)和組蛋白去甲基轉(zhuǎn)移酶HDMT(histone demethyltransferase)均參與針葉樹(shù)對(duì)熱脅迫的應(yīng)答響應(yīng)，為樹(shù)木應(yīng)對(duì)環(huán)境變化(如溫度脅迫)提供快速的途徑(Br?utigametal.,2013; Yakovlevetal.,2012)。抑制DNA甲基轉(zhuǎn)移酶Dnmt1和Dnmt3(DNA methyltransferase, Dnmt)基因表達(dá)后，煙粉虱的溫度耐受性顯著下降，死亡率顯著增加(Daietal.，2017，2018)。粘蟲(chóng)MythimnaseparataWalker體內(nèi)DNA甲基轉(zhuǎn)移酶在高、低溫脅迫條件下表達(dá)量降低，從而在其溫度耐受性中發(fā)揮某種作用(Wangetal.，2020)。赤擬谷盜TriboliumcastaneumHerbst體內(nèi)的組蛋白去乙酰化酶基因HDAC(histone deacetylases)對(duì)熱脅迫和冷脅迫均有反應(yīng)(Chenetal.，2019)。還有研究發(fā)現(xiàn)，DNA甲基化和組蛋白甲基化均參與調(diào)控林蛙Ranasylvatica的抗寒能力(Hawkins & Storey,2018; Storey & Storey,2017; Zhangetal.,2020)。

此外，非編碼RNA也參與調(diào)控生物溫度適應(yīng)性。據(jù)報(bào)道，siRNA(small interfering RNA)參與擬南芥的冷馴化調(diào)控(Putterilletal.,2004)；miRNA(microRNA)參與小麥TriticumaestivumL.的熱脅迫響應(yīng)的調(diào)控(Ravichandranetal.,2019)。Cappuccietal.(2019)研究表明,在果蠅中高溫脅迫可以通過(guò)誘導(dǎo)性伴侶蛋白Hsp70的作用影響piRNA的生物合成，從而在轉(zhuǎn)錄后水平上增加轉(zhuǎn)座因子TEs(transposable elements)的表達(dá)。有關(guān)家雞GallusgallusdomesticusBrisson的研究表明,miR138可以抑制甲基轉(zhuǎn)移酶EZH2(enhancer of zeste homolog 2)的表達(dá)來(lái)調(diào)控其溫度耐受性(Kisliouketal.,2011)。

以上研究表明，表觀遺傳與生物體溫度適應(yīng)性密切相關(guān)。生物體能夠通過(guò)染色質(zhì)重塑、DNA甲基化、組蛋白修飾、非編碼RNA等調(diào)控途徑來(lái)提高自身對(duì)逆境溫度的適應(yīng)能力。

2 染色質(zhì)重塑復(fù)合物的分類(lèi)和組成

染色質(zhì)重塑是表觀遺傳學(xué)重要的組成部分之一。在真核生物細(xì)胞內(nèi)存在一系列特異的染色質(zhì)重塑因子，它們可以促進(jìn)染色質(zhì)中DNA與蛋白質(zhì)的動(dòng)態(tài)結(jié)合。這些因子是多亞基復(fù)合物，利用ATP水解產(chǎn)生的能量，通過(guò)滑動(dòng)核小體等方式改變?nèi)旧|(zhì)的狀態(tài)，從而調(diào)控特定基因的表達(dá)(Corona & Tamkun,2004; Hopfneretal.,2012)。根據(jù)催化亞基的保守結(jié)構(gòu)域，染色質(zhì)重塑復(fù)合物主要分為SWI/SNF(SWI tching defective/sucrose non-fermenting)、ISWI(imitation SWI tch)、CHD(chromo helicase domain)和INO80(INO sitol requiring 80)這4個(gè)家族(Itoetal.,1997; Shenetal.,2000)。這些重塑復(fù)合物在結(jié)構(gòu)上存在相似性和特異性，但在組成上存在較大差異。

2.1 染色質(zhì)重塑復(fù)合物的分類(lèi)

在真核生物中，將DNA包裝到染色質(zhì)對(duì)其基因組的組織和表達(dá)至關(guān)重要(Coronaetal.,2007)。染色質(zhì)緊密的超螺旋結(jié)構(gòu)限制了轉(zhuǎn)錄因子對(duì)DNA的接近與結(jié)合，從而抑制了基因的轉(zhuǎn)錄過(guò)程；而開(kāi)放式的疏松結(jié)構(gòu)，使轉(zhuǎn)錄因子等更容易接近DNA，進(jìn)而促進(jìn)基因的活化和轉(zhuǎn)錄(Lietal.,2007)。為了保證染色質(zhì)中DNA與轉(zhuǎn)錄因子等蛋白質(zhì)的動(dòng)態(tài)結(jié)合，細(xì)胞內(nèi)進(jìn)化產(chǎn)生了一系列特異性的染色質(zhì)重塑因子。這些因子是多亞基復(fù)合物，它們利用水解ATP產(chǎn)生的能量通過(guò)滑動(dòng)、移除核小體等方式改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)，從而調(diào)控真核生物的基因表達(dá)(Racki & Narlikar,2008)。所有重塑因子都具有以下5個(gè)基本特性：(a)對(duì)核小體高度親和；(b)包含識(shí)別組蛋白共價(jià)修飾的結(jié)構(gòu)域；(c)包含相似的DNA依賴(lài)的ATP酶結(jié)構(gòu)域，可破壞組蛋白與DNA之間的接觸，亦可參與重塑染色質(zhì)，是染色質(zhì)重塑過(guò)程所必需的元件；(d)包含可以調(diào)控ATP酶結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)；(e)包含與其他染色質(zhì)或轉(zhuǎn)錄因子相互作用的結(jié)構(gòu)域或蛋白質(zhì)(Clapier & Cairns,2009)。

根據(jù)催化亞基的保守結(jié)構(gòu)域，染色質(zhì)重塑復(fù)合物可分為SWI/SNF、ISWI、CHD和INO80 4個(gè)亞家族(Cairnsetal.,1994; Itoetal.,1997; Shenetal.,2000)。不同亞家族的催化亞基都具有一個(gè)保守的ATPase結(jié)構(gòu)域(由DExx和HELICc組成)，同時(shí)又具有各自特異的結(jié)構(gòu)域以保證其功能特性，如：SWI/SNF家族包含HSA(helicase-SANT)、SnAC(Snf2-ATP coupling)以及C端的Bromo結(jié)構(gòu)域；ISWI家族包含HAND、SANT(SWI3、ADA2、N-CoR、TFIIIB domains)以及SLIDE(SANT-like ISWI domain)結(jié)構(gòu)域；INO80家族包含一個(gè)位于N端的HSA結(jié)構(gòu)域；而CHD家族核心亞基的N端包含2個(gè)串聯(lián)的Chromo結(jié)構(gòu)域(Clapier & Cairns,2009; Xiaetal.,2016)。各結(jié)構(gòu)域獨(dú)特的功能如下：HSA結(jié)構(gòu)域可以與肌動(dòng)蛋白相關(guān)蛋白質(zhì)結(jié)合(Becker & Workman,2013)；Bromo結(jié)構(gòu)域能識(shí)別組蛋白及其他蛋白質(zhì)N端乙?；馁?lài)氨酸(Clapier & Cairns,2009)；HAND-SANT-SLIDE結(jié)構(gòu)域能結(jié)合染色質(zhì)和相鄰核小體間的DNA(Dang & Bartholomew,2007)，且SANT結(jié)構(gòu)域可以結(jié)合未修飾的組蛋白尾巴(Boyeretal.,2002,2004; Grüneetal.,2003)；而Chromo結(jié)構(gòu)域能識(shí)別并結(jié)合組蛋白N端甲基化的賴(lài)氨酸(Brehmetal.,2004; Flanaganetal.,2005)。

2.2 染色質(zhì)重塑復(fù)合物的組成

最早被發(fā)現(xiàn)和熟知的染色質(zhì)重塑因子是SWI/SNF，該復(fù)合物由8～14個(gè)蛋白質(zhì)亞基組成。在酵母中，染色質(zhì)重塑復(fù)合物SWI/SNF存在SWI/SNF和RSC(remodels the structure of chromatin)2種形式，這2種存在形式具有明顯不同的、非重疊的作用(Mohrmann & Verrijzer,2005)。果蠅含有BAP(brahma associated proteins)和PBAP(polybromo-associated BAP)2種形式的SWI/SNF復(fù)合物，它們具有相同的催化亞基BRM(brahma homologue)，不同的是，BAP復(fù)合物具有OSA亞基，而PBAP復(fù)合物具有Polybromo亞基和BAP170亞基(Clapier & Cairns,2009)。

染色質(zhì)重塑因子ISWI的催化亞基最早于果蠅的胚胎提取物中發(fā)現(xiàn)，由于其與酵母的Swi2/Snf2具有序列同源性，因而被命名為ISWI(Corona & Tamkun,2004)。該復(fù)合物通常由2～4個(gè)蛋白質(zhì)亞基組成。果蠅中染色質(zhì)重塑復(fù)合物ISWI存在3種形式，即NURF(nucleosome remodeling factor)、CHRAC(chromatin accessibility complex)和ACF(ATP-utilizing chromatin assembly and remodeling factor)。NURF包含ISWI、NURF301、NURF55/p55和NURF38 4個(gè)亞基，該復(fù)合物可以引起核心組蛋白相對(duì)DNA片段發(fā)生順勢(shì)移動(dòng)，且可以激活轉(zhuǎn)錄。CHRAC包含ISWI、ACF1、CHRAC14和CHRAC16 4個(gè)亞基，該復(fù)合物可以參與調(diào)控果蠅早期發(fā)育(Coronaetal.,2000)。而另一復(fù)合物ACF僅由ISWI和ACF1 2個(gè)亞基組成，該復(fù)合物在染色質(zhì)重塑過(guò)程中同樣發(fā)揮著不可替代的作用。

染色質(zhì)重塑因子CHD家族包括2種存在形式：僅存在一個(gè)亞基、可單獨(dú)發(fā)揮其重塑功能的CHD1和由多個(gè)亞基組成的NuRD(nucleosome remodeling and histone deacetylase)(蔡祿，2012)。果蠅NuRD復(fù)合物中包含與轉(zhuǎn)錄抑制相關(guān)的MBD2/3(methyl-CpG binding domain，甲基化CpG結(jié)合結(jié)構(gòu)域)和MTA(metastasis-associated proteins，轉(zhuǎn)移相關(guān)蛋白質(zhì))。這些CHD蛋白可通過(guò)染色質(zhì)修飾和重塑進(jìn)而抑制某些基因的轉(zhuǎn)錄(Denslow & Wade,2007)。

染色質(zhì)重塑因子INO80的組成最為復(fù)雜。在酵母中該復(fù)合物包括INO80和SWR1 2種形式，其中，INO80有15個(gè)蛋白亞基，SWR1有16個(gè)蛋白亞基(Bao & Shen,2007)；而果蠅中該復(fù)合物的2種存在形式為Pho-INO80和Tip60，其中Pho-INO80有7個(gè)蛋白亞基，Tip60有18個(gè)蛋白亞基。盡管目前并不十分清楚其中大多數(shù)亞基起作用的詳細(xì)機(jī)制，但是可以推測(cè)它們?cè)谡{(diào)控基因表達(dá)、DNA復(fù)制和修復(fù)過(guò)程中發(fā)揮各自重要的作用(周建杰和陳學(xué)峰，2016；Ghasemietal.,2015; Van-Attikum & Gasser,2005)。

3 染色質(zhì)重塑的方式

染色質(zhì)重塑是調(diào)控真核生物基因表達(dá)的重要機(jī)制，目前在生物體內(nèi)至少發(fā)現(xiàn)有2類(lèi)高度保守的染色質(zhì)重塑的方式。第一類(lèi)是依賴(lài)于ATP水解的染色質(zhì)重塑復(fù)合物，這些復(fù)合物可以通過(guò)滑動(dòng)、去除、解離或重新組裝核小體等方式重塑染色體進(jìn)而調(diào)控基因的表達(dá)(Clapier & Cairns,2009)。第二類(lèi)是組蛋白尾巴的作用，組蛋白尾巴的共價(jià)修飾(如甲基化、乙?；?、磷酸化和泛素化等)可以間接引起染色質(zhì)的重塑(Tavernaetal.,2007)。

3.1 ATP依賴(lài)的染色質(zhì)重塑

染色質(zhì)重塑因子通過(guò)利用ATP水解產(chǎn)生的能量來(lái)移動(dòng)或重新組裝核小體，從而在整個(gè)基因組范圍內(nèi)調(diào)控基因的表達(dá)。其作用機(jī)制主要包括2個(gè)方面：一方面，染色質(zhì)重塑因子可介導(dǎo)核小體沿著DNA 滑動(dòng)，或?qū)⒄麄€(gè)核小體從DNA上去除，或可引起核小體表面與DNA發(fā)生分離，形成"bulge"(也稱(chēng)為"Loop")，使DNA結(jié)合位點(diǎn)暴露，進(jìn)而使DNA結(jié)合蛋白(DNA-binding protein, DBP)與其結(jié)合位點(diǎn)順利結(jié)合(Gangaraju & Bartholomew,2007)。另一方面，染色質(zhì)重塑因子可介導(dǎo)組蛋白變體與經(jīng)典組蛋白間的置換，或從染色質(zhì)上去除組蛋白二聚體，通過(guò)改變經(jīng)典組蛋白的組成，從而使相應(yīng)功能發(fā)生變化(Clapier & Cairns,2009)。

3.2 組蛋白尾巴與染色質(zhì)重塑

組蛋白尾巴以不依賴(lài)ATP的方式介導(dǎo)組蛋白與DNA相互作用，參與核小體的去組裝和重新組裝過(guò)程。一方面，組蛋白尾巴影響某些染色質(zhì)重塑因子的核小體重塑活性。如，重塑因子NURF需要組蛋白尾部的正確結(jié)合，組蛋白的尾部區(qū)域是NURF識(shí)別的關(guān)鍵部位，缺乏組蛋白尾部的核小體不能刺激NURF ATP酶的重塑活性；重塑因子ISWI識(shí)別組蛋白H4尾巴上的氨基酸R17H18R19，這對(duì)于ISWI發(fā)揮其重塑功能十分重要(Clapieretal.,2002)。另一方面，組蛋白尾巴的共價(jià)修飾影響染色質(zhì)重塑因子的募集和穩(wěn)定性，調(diào)控基因表達(dá)。目前研究最多的修飾為組蛋白甲基化和乙?；?。不同形式的組蛋白甲基化修飾對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控作用不同，H3K4me3(三甲基化，me: methylation)和H3K9me3修飾可促進(jìn)染色質(zhì)重塑復(fù)合物的募集，從而促進(jìn)基因表達(dá)，而H3K9me1、H3K20me1、H3K27me1、H3K9me2、H3K27me3和H4R3me2修飾可抑制基因的表達(dá)(Lietal.,2006; Tanetal.,2020；Zhouetal.,2010)。組蛋白乙?；谷旧|(zhì)結(jié)構(gòu)變得疏松從而促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄，相反，組蛋白去乙?；谷旧|(zhì)結(jié)構(gòu)變得緊密進(jìn)而抑制基因表達(dá)(Pandeyetal.,2002; Zhietal.,2020)。

4 染色質(zhì)重塑在溫度適應(yīng)性中的研究進(jìn)展

生物體抵抗高溫或低溫等環(huán)境脅迫的能力依賴(lài)于其自身調(diào)控脅迫應(yīng)答基因表達(dá)的機(jī)制(Asensi-fabadoetal.,2017)。而染色質(zhì)重塑是調(diào)控基因表達(dá)的重要手段，大量研究證據(jù)表明染色質(zhì)重塑可以直接或間接影響生物體的溫度耐受性。

目前，植物中有關(guān)染色質(zhì)重塑與溫度適應(yīng)性方面的研究最為全面。Strenkertetal.(2011)研究發(fā)現(xiàn)，萊茵衣藻Chlamydomonasreinhardtii中熱激轉(zhuǎn)錄因子HSF1能夠介導(dǎo)染色質(zhì)重塑成開(kāi)放的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而促進(jìn)脅迫相關(guān)基因的表達(dá)。Pecinkaetal.(2010)發(fā)現(xiàn)，擬南芥經(jīng)過(guò)37 ℃處理30 h后，部分核小體連同上面攜帶的H3K9me2等抑制性表觀遺傳標(biāo)記一起被移除，導(dǎo)致異染色質(zhì)區(qū)域變松弛，使得原本被沉默的重復(fù)序列激活表達(dá)；而當(dāng)熱脅迫處理結(jié)束后，核小體被重新裝載到染色體上，同時(shí)伴隨著H3K9me2的重新建立，最終導(dǎo)致重復(fù)序列恢復(fù)沉默。其他研究表明，具有核小體重新定位活性的已知染色質(zhì)重塑因子(如BRM)與FGT1(FORGETTER1)相互作用有助于擬南芥的高溫傳代記憶(Brzezinkaetal.,2016; Friedrichetal.,2019)；Mlynarovaetal.(2007)發(fā)現(xiàn)，在高溫脅迫下擬南芥野生型植株中的chr12基因會(huì)發(fā)生過(guò)表達(dá)，以提高其對(duì)高溫脅迫的抵抗力；Zhaetal.(2017)的研究表明，重塑因子PKL(PICKLE)突變會(huì)導(dǎo)致擬南芥幼苗對(duì)高溫敏感性顯著降低，具體表現(xiàn)為下胚軸生長(zhǎng)速度慢于野生型；Gratkowska-zmudaetal.(2020)發(fā)現(xiàn)，突變Swi3c會(huì)導(dǎo)致擬南芥中參與低溫反應(yīng)的基因表達(dá)發(fā)生變化，進(jìn)而影響其在不同溫度條件下的生長(zhǎng)反應(yīng)；Buszewiczetal.(2016)發(fā)現(xiàn)，擬南芥中染色質(zhì)重塑因子SWI/SNF可以和組蛋白去乙酰化酶相互作用從而參與熱脅迫響應(yīng)；此外，對(duì)擬南芥高溫傳代記憶機(jī)制的研究發(fā)現(xiàn)，高溫可以激活熱激轉(zhuǎn)錄因子HSFA2(heat shock transcription factor A2)，而HSFA2可以與組蛋白去甲基化酶REF6(relative of early flowering 6)和BRM啟動(dòng)子上的熱激轉(zhuǎn)錄元件直接結(jié)合，從而激活REF6和BRM基因的表達(dá)，進(jìn)而影響擬南芥對(duì)溫度脅迫的響應(yīng)(Liuetal.,2019)。有關(guān)水稻OryzasativaL.的研究表明，“中華11”水稻在遭受低溫脅迫處理后其SWI/SNF家族基因的表達(dá)會(huì)發(fā)生較大變化(Huetal.,2013)；另一研究表明，水稻OsDDM1a(decrease in DNA methylation 1, DDM1)基因和OsDDM1b基因的表達(dá)均受低溫脅迫所誘導(dǎo)，在其脅迫應(yīng)答反應(yīng)中發(fā)揮重要作用(高振蕊等，2011)。

此外，酵母體內(nèi)的研究表明，SWI/SNF在熱激反應(yīng)過(guò)程中發(fā)揮激活或抑制基因表達(dá)的雙重作用(Shivaswamy & Iyer,2008)；失活酵母中的重塑因子ISWI和SWI/SNF可以減少熱激期間熱激轉(zhuǎn)錄因子HSF(heat shock transcription factor)的有效結(jié)合，進(jìn)而影響其溫度耐受性(Erkinaetal.,2010)。在果蠅中，ISWI型染色質(zhì)重塑因子可以與GAGA因子協(xié)同作用從而促進(jìn)熱激蛋白基因的轉(zhuǎn)錄(Badenhorstetal.,2002; Tsukiyamaetal.,1995)，而熱激蛋白在生物溫度耐受性中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。Jietal.(2020)通過(guò)RNAi技術(shù)對(duì)入侵種煙粉虱ISWI基因功能研究發(fā)現(xiàn)，飼喂dsRNA(double-stranded RNA)后煙粉虱成蟲(chóng)的溫度耐受性顯著降低，表明ISWI基因在煙粉虱溫度適應(yīng)性中起重要作用。Feineretal.(2018)比較爬行動(dòng)物蜥蜴Podarcismuralis(Laurenti)在低溫與適溫條件下發(fā)育的胚胎基因表達(dá)譜發(fā)現(xiàn)，部分差異較大的基因與染色質(zhì)重塑有關(guān)，這表明潛在的表觀遺傳機(jī)制可能是使其早期胚胎適應(yīng)低溫的基礎(chǔ)。Tuetal.(2006)研究發(fā)現(xiàn)，哺乳動(dòng)物細(xì)胞受到脅迫刺激時(shí)，其熱激轉(zhuǎn)錄因子HSF1可以與重塑因子brg1(brahma-related gene 1)結(jié)合，從而促進(jìn)hsp70基因的轉(zhuǎn)錄。

本文對(duì)近年來(lái)關(guān)于染色質(zhì)重塑調(diào)控生物溫度適應(yīng)性的研究進(jìn)行了總結(jié)、歸納(表1)。

表1 染色質(zhì)重塑因子調(diào)控生物溫度適應(yīng)性

從酵母到哺乳動(dòng)物細(xì)胞，染色質(zhì)重塑因子的調(diào)控作用具有一定的保守性?？傊鳛閷?duì)環(huán)境變化的快速響應(yīng)，溫度脅迫下染色質(zhì)重塑是經(jīng)常發(fā)生的。染色質(zhì)重塑參與生物體的溫度脅迫應(yīng)答反應(yīng)，且在生物溫度適應(yīng)性中發(fā)揮重要作用。

5 結(jié)論與展望

溫度是限制物種適應(yīng)性分布的重要環(huán)境因子，對(duì)極端環(huán)境溫度的耐受性決定著生物的分布和擴(kuò)散范圍。大量研究證實(shí)，表觀遺傳可以提供比遺傳機(jī)制更快的響應(yīng)機(jī)制，從而促使生物快速的適應(yīng)極端環(huán)境溫度。染色質(zhì)重塑是表觀遺傳調(diào)控的重要組成部分之一，可以通過(guò)調(diào)控脅迫相關(guān)基因的表達(dá)來(lái)改變生物體的生理狀態(tài)，從而達(dá)到使生物體適應(yīng)環(huán)境的目的。然而，當(dāng)前關(guān)于染色質(zhì)重塑與溫度適應(yīng)性的研究主要集中在模式生物(如擬南芥、酵母和果蠅等)的少數(shù)蛋白亞基上，相對(duì)于龐大且復(fù)雜的染色質(zhì)重塑復(fù)合物來(lái)說(shuō)，目前的研究只是冰山一角，仍有很多問(wèn)題需要解決：(a)需要進(jìn)一步探明染色質(zhì)重塑復(fù)合物各亞基在生物體溫度適應(yīng)性中的功能，以及各亞基間是否存在協(xié)同作用；(b)染色質(zhì)重塑復(fù)合物與其所調(diào)控的下游基因的關(guān)系如何并未清楚，需要進(jìn)一步深入研究；(c)如何將染色質(zhì)重塑、組蛋白修飾和DNA甲基化等聯(lián)合分析，從而更加立體、全面和動(dòng)態(tài)地從表觀遺傳的角度闡述溫度脅迫適應(yīng)性機(jī)制，是未來(lái)溫度適應(yīng)性研究需要解決的重要問(wèn)題。