染色質(zhì)重塑復(fù)合物與基因表達(dá)調(diào)控的研究進(jìn)展

李 莉，樊玉璽，夏雨婷，馮德超，魏武然△

(1.四川大學(xué)華西第二醫(yī)院小兒心血管科/出生缺陷與相關(guān)婦兒疾病教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610041;2.四川大學(xué)華西醫(yī)院泌尿外科，四川 成都 610041)

染色質(zhì)中的基因在不同的細(xì)胞或不同的內(nèi)外環(huán)境里均可隨著染色質(zhì)重塑而被調(diào)控進(jìn)入相應(yīng)的活化或抑制狀態(tài)，從而導(dǎo)致疾病的發(fā)生或產(chǎn)生對(duì)生物體自身有益的變異。染色質(zhì)重塑復(fù)合物被認(rèn)為是染色質(zhì)活化的動(dòng)力，與組蛋白修飾、DNA甲基化、RNA干擾等一起重塑染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，成為與經(jīng)典遺傳密碼不同的表觀遺傳調(diào)控。本文將對(duì)染色質(zhì)重塑復(fù)合物對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控研究及進(jìn)展進(jìn)行綜述，分類討論各種類型染色質(zhì)重塑復(fù)合物在基因表達(dá)中可能具有的重要作用，為深入研究染色質(zhì)重塑復(fù)合物在胚胎發(fā)育、各個(gè)系統(tǒng)疾病的出現(xiàn)及進(jìn)展機(jī)制提供理論研究基礎(chǔ)。

1 染色質(zhì)重塑復(fù)合物家族概述

染色質(zhì)重塑是由ATP供給能量以及染色質(zhì)重塑復(fù)合物去改變組蛋白與DNA的結(jié)合而實(shí)現(xiàn)的。染色質(zhì)重塑復(fù)合物實(shí)現(xiàn)染色質(zhì)重塑，是利用ATP水解產(chǎn)生的能量增加了轉(zhuǎn)錄因子與DNA 的可接近性, 這個(gè)過(guò)程主要是通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)的，一種是使核小體的位置發(fā)生了移動(dòng)，從而讓DNA 序列被暴露或掩蓋；另一種則是在靠近核心組蛋白的DNA表面通過(guò)建立起特殊的構(gòu)象，從而使轉(zhuǎn)錄因子能夠更易接近DNA, 因此，通過(guò)這個(gè)方式實(shí)現(xiàn)的染色質(zhì)重塑過(guò)程也被稱為核小體重塑[1，2]。每一個(gè)染色質(zhì)重塑復(fù)合的構(gòu)成都包括ATP酶核心亞基和數(shù)個(gè)不同的其他亞基。ATP酶核心亞基在功能上主要是起催化作用，ATP酶核心亞基具有不同的結(jié)構(gòu)域，并根據(jù)此將染色質(zhì)重塑復(fù)合物分為四類：SWI/SNF (switching defective/sucrose non-fermenting)、ISWI (imitation switch)、Ino80、SWRI (Swi2/Snf2 related)及Mi2/CHD (chromo-helicase and ATPase-DNA-binding)。

1.1 SWI/SNF家族該家族主要包括酵母SWI/SNF復(fù)合物的SWI2/SNF2亞基，酵母RSC復(fù)合體的Sth1亞基，果蠅SWI/SNF復(fù)合體中的Brahma亞基以及人類SWI/SNF中的BRG1和BRM亞基[3]。SNF2家族的染色質(zhì)重塑復(fù)合物一般含有12個(gè)亞基，其功能主要為“打開(kāi)”或“破壞”核小體結(jié)構(gòu)。酵母中的SWI/SNF復(fù)合體是目前研究最為徹底一類染色質(zhì)重塑復(fù)合物，是大約20 MDa的大蛋白復(fù)合物，從酵母到人類都具有良好的保守性。SWI/SNF復(fù)合體被序列特異的DNA結(jié)合蛋白招募到轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)，然后通過(guò)染色質(zhì)重塑作用調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄活性。大約有5%的酵母基因受SWI/SNF復(fù)合體的調(diào)控，以達(dá)到基因激活或抑制的功能。酵母RSC復(fù)合體在構(gòu)成上與SWI/SNF復(fù)合體很類似。它具有15個(gè)亞基，至少有2個(gè)亞基與SWI/SNF復(fù)合物相同，但它在轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用方面卻表現(xiàn)得更加廣泛的特點(diǎn)。人的SWI/SNF復(fù)合體的核心亞基主要是BRG1或BRM，同時(shí)包括其它亞基的分子聚合物，主要參與激活基因轉(zhuǎn)錄以及基因重組等[4]。

1.2 ISWI家族ISWI家族又被稱為SNF2L家族，主要與裝配核小體和增強(qiáng)二胺色織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性相關(guān)，包括酵母中的ISWI1和ISWI2亞基，果蠅中ACF, NURF和CHRAC復(fù)合物相關(guān)的SWI蛋白，以及脊椎動(dòng)物中RSF、NoRC、cHRAC、hACF和WICH復(fù)合物相關(guān)的SNF2L和SNF2R等亞基[5]。ISWI復(fù)合物可以分為：RSF、 HucHRAC、CAF1三類[6]。其中RSF主要由Hsnf-h亞基組成，其功能主要是參與轉(zhuǎn)錄的起始；HucHRAC則由Hsnf-2h、Hacf1等亞基組成，主要參與維持異染色質(zhì)的復(fù)制；CAF1的主要功能是參與組裝染色質(zhì)[7]。ISWI家族雖不具有Bromo結(jié)構(gòu)域，卻具有SANT結(jié)構(gòu)域。結(jié)構(gòu)域亞基由N-CoR、SWI3、TFШB、ADA2組成 它們是c-myb的類似物，在ISW與DNA的結(jié)合中起可能作用。ISWI亞家族的復(fù)合體亞基相對(duì)比較少，其功能主要是與核小體裝配和二胺色織結(jié)構(gòu)增強(qiáng)穩(wěn)定性有關(guān)。

1.3 Mi2/CHD家族有一個(gè)Chromo結(jié)構(gòu)域和一個(gè)DNA結(jié)合模體，包括果蠅Mi-2復(fù)合體和人NuRD復(fù)合體中的CHD1、Mi-2α/ CHD1等亞基及一個(gè)HDAC活性亞基。同一個(gè)復(fù)合物中既有CHD1亞基又有HDAC活性亞基提示這些復(fù)合物也許利用染色質(zhì)重塑活性來(lái)幫助組蛋白或其他DNA相關(guān)蛋白的乙?；?。含有INO80亞基的Ino80蛋白是一個(gè)包含12個(gè)亞基的大蛋白復(fù)合體，含有INO80亞基的Ino80蛋白是一個(gè)包含12個(gè)亞基的大蛋白復(fù)合體，又被稱為Ino80.com。Ino80.com含有兩個(gè)具有DNA螺旋酶的Rvb1和Rvb2亞基。Ino80.com既在基因轉(zhuǎn)錄中其作用又參與DNA的修復(fù)[8]。

1.4 其它家族其他SNF2樣家族成員也具有內(nèi)在的ATP依賴的染色質(zhì)重塑活性。Rad54參與同源重組，與Rad51一起參與染色質(zhì)重塑。CSB(Cockayne Syndrome protein B)參與核酸切除修復(fù)。DDM1蛋白對(duì)維護(hù)DNA甲基化和基因組的穩(wěn)定性有重要作用[9]。

2 染色質(zhì)重塑復(fù)合物的作用機(jī)制

ATP依賴的染色質(zhì)重塑復(fù)合物的一個(gè)重要功能是暴露核小體的DNA。如前所述，染色質(zhì)重塑這個(gè)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)一方面是讓靠近核心組蛋白的DNA表面建立特殊構(gòu)象。相對(duì)于組蛋白的八聚體改變的模式，通過(guò)DNA發(fā)生滑動(dòng)讓其序列被暴露或掩蓋是更為經(jīng)典的一種模式。染色質(zhì)重塑復(fù)合物具有的一個(gè)共同功能就是引起核小體位置的變化，研究者們經(jīng)過(guò)研究證實(shí)這種共同的功能是通過(guò)完整的核小體八聚體在自身DNA上作順式移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并且能夠讓DNA不能被競(jìng)爭(zhēng)性DNA 反式取代[10，11]。由此可見(jiàn)，這種滑動(dòng)模式通過(guò)簡(jiǎn)單地改變暴露的DNA 位置，形成了一個(gè)被全新的八聚體，并實(shí)現(xiàn)了全新的轉(zhuǎn)移定位。這種模式并不是通過(guò)增加暴露DNA 的數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而原先和組蛋白作用的DNA 同時(shí)變?yōu)闊o(wú)核小體狀態(tài)。

然而這種緊密相間的核小體區(qū)域中DNA 易接近性改變并不能用滑動(dòng)模型來(lái)解釋。一部分研究認(rèn)為，ATP水解的能量可將一個(gè)可能出現(xiàn)隨機(jī)瓦解的高能性中間體變成多個(gè)不同的重塑后的核小體狀態(tài)。這些重塑后的核小體可能與核小體移動(dòng)相關(guān)或不相關(guān)。SWI/SNF復(fù)合物通過(guò)改變組蛋白八聚體重塑染色質(zhì)，從而形成穩(wěn)定的核小體樣結(jié)構(gòu)。根據(jù)研究已經(jīng)證實(shí)這種改變是由高能中間體引發(fā)的。例如在起始狀態(tài)下，核小體上轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn)B和C是被封閉的；SWI/SNF復(fù)合體通過(guò)使核小體移位，讓結(jié)合位點(diǎn)B暴露、而位點(diǎn)A被封閉。在C位點(diǎn)上形成了雙核小體復(fù)合物卻可促進(jìn)的某些轉(zhuǎn)錄因子的可接近性。通過(guò)此類研究證實(shí)SWI/SNF的重塑不僅僅會(huì)引起基因轉(zhuǎn)錄激活，也能造成基因轉(zhuǎn)錄的抑制。

另一方面，染色質(zhì)重塑復(fù)合物還可以通過(guò)水解ATP產(chǎn)生能量，將超螺旋引入到核小體DNA 中，并且研究證實(shí)預(yù)期將在核小體DNA中引入可解離任何超螺旋的單鏈切口并不能抑制染色質(zhì)重塑[12，13]，但若引入特異性位點(diǎn)的切口則有利于ISWI 復(fù)合物對(duì)于組蛋白八聚體滑動(dòng)能力的影響。因此，超螺旋這種結(jié)構(gòu)形態(tài)可能并不是ISWI 實(shí)現(xiàn)染色質(zhì)重塑的重要機(jī)制部分；而瞬時(shí)堿基不配引起組蛋白與DNA發(fā)生相互作用可能更為關(guān)鍵。

3 染色質(zhì)重塑復(fù)合物參與基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的主要方式

在染色體整體水體上，利用酵母SWI/SNF 復(fù)合物中各個(gè)亞基的突變體，對(duì)于各個(gè)基因的表達(dá)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)復(fù)合物與大約6%的酵母基因表達(dá)密切相關(guān)，其中包含了Gcn5p的HATs以及5%酵母相關(guān)表達(dá)基因。染色質(zhì)重塑復(fù)合物、組蛋白修飾復(fù)合物以及DNA 的結(jié)合都具有非特異性的特點(diǎn)，但基因的表達(dá)卻具有高度的特異性，它們之間的調(diào)控機(jī)制由越來(lái)越多研究證實(shí)，一些特異性轉(zhuǎn)錄因子可以與染色質(zhì)重塑復(fù)合物、組蛋白修飾復(fù)合物直接發(fā)生作用，然后將這兩種復(fù)合物募集到靶基因的啟動(dòng)子上，實(shí)現(xiàn)復(fù)合物與DNA 的結(jié)合[14]。染色質(zhì)重塑復(fù)合物與特異性基因序列的結(jié)合能力在很大程度上是由轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的，這種方式不僅可以提高染色質(zhì)的重塑效率，而且可以提高轉(zhuǎn)錄活性[15]。

3.1 轉(zhuǎn)錄激活子對(duì)染色質(zhì)重塑復(fù)合物及組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶(histone acetyltransferases，HATs)的募集SWI/SNF、HATs可以被特定的轉(zhuǎn)錄因子募集到特點(diǎn)基因啟動(dòng)子區(qū)是一個(gè)經(jīng)典模式。例如，有研究證實(shí)糖皮質(zhì)激素受體和雌激素受體將hSWI/SNF復(fù)合物募集到相應(yīng)的應(yīng)答元件上，是核受體介導(dǎo)的hSWI/SNF實(shí)現(xiàn)基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的重要方式[16，17]。HSF1、c-Myc、EBNA2、MyoD等轉(zhuǎn)錄激活子對(duì)于染色質(zhì)重塑復(fù)合物也能發(fā)揮相似的募集作用，在特定條件下促進(jìn)或激活基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)[18]。另外也有研究證實(shí)，MyoD和Mef2可以將SWI/SNF募集于特異性基因啟動(dòng)子區(qū)，在骨骼肌發(fā)生過(guò)程中激活晚期基因表達(dá)[19]。

3.2 抑制子對(duì)染色質(zhì)重塑復(fù)合物及組蛋白去乙?；?histone deacetylase,HDACs)的募集轉(zhuǎn)錄抑制子與轉(zhuǎn)錄激活子在功能上具有高度的相似性，它們都能對(duì)染色質(zhì)重塑復(fù)合物、HDACs實(shí)現(xiàn)募集。研究證實(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)錄抑制子UME6介導(dǎo)，減數(shù)分裂早期的Isw2p復(fù)合物可以被募集到相關(guān)基因啟動(dòng)子區(qū)引發(fā)的染色質(zhì)重塑可以在UME6相結(jié)合的位點(diǎn)附近發(fā)生。這種染色質(zhì)重塑可以讓染色質(zhì)結(jié)構(gòu)由疏松變得凝集，以達(dá)到基因表達(dá)抑制的目的[20]。在表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域關(guān)于糖皮質(zhì)激素

SWI/SNF復(fù)合物的研究證實(shí)，這一類復(fù)合物可由被HDAC1、p300和prohibitin等募集到糖皮質(zhì)激素受體應(yīng)答元件，最終導(dǎo)致募集區(qū)基因的表達(dá)受抑制[21]。因此，染色質(zhì)重塑復(fù)合物、HATs、HDACs能夠被特異性轉(zhuǎn)錄因子直接募集到特異性基因啟動(dòng)子區(qū)，類似于在基因轉(zhuǎn)錄的開(kāi)端由特定啟動(dòng)子區(qū)引起了整個(gè)事件的開(kāi)端，讓啟動(dòng)子區(qū)周圍染色質(zhì)發(fā)生重塑, 最終實(shí)現(xiàn)基因激活或抑制[22]。

3.3 染色質(zhì)重塑復(fù)合物、HATs及轉(zhuǎn)錄裝置協(xié)同的作用染色質(zhì)重塑復(fù)合物和HATs可以協(xié)同促進(jìn)基因的表達(dá)。然而目前研究證實(shí)，染色質(zhì)重塑復(fù)合物和HATs這兩大類復(fù)合物之間也可以發(fā)生直接的相互作用。這種相互作用在增強(qiáng)與染色體的結(jié)合能力的同時(shí)還能夠改變復(fù)合物的活性。而此時(shí)染色質(zhì)重塑復(fù)合物引起的染色質(zhì)重塑扮演著底物的角色，促進(jìn)另一個(gè)復(fù)合物發(fā)揮作用。關(guān)于基因表達(dá)調(diào)控的研究中發(fā)現(xiàn)還需要基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄裝置的參與?；A(chǔ)轉(zhuǎn)錄裝置和染色質(zhì)重塑復(fù)合物在與啟動(dòng)子結(jié)合時(shí)，時(shí)序性上并沒(méi)有絕對(duì)的特異性。特異性基因啟動(dòng)子區(qū)域存在特異性的激活途徑，這樣的特點(diǎn)能夠?yàn)橄鄳?yīng)基因表達(dá)調(diào)控提供最高的特異性及高效性。當(dāng)轉(zhuǎn)錄起始即將結(jié)束時(shí)，染色質(zhì)重塑狀態(tài)及與轉(zhuǎn)錄裝置的時(shí)序性結(jié)合是相匹配的。在這些時(shí)序性轉(zhuǎn)錄調(diào)控途徑中，各個(gè)途徑之間存在利益最大化的優(yōu)勢(shì)，在該過(guò)程中可以理解為染色質(zhì)重塑復(fù)合物有利于轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合，轉(zhuǎn)錄因子同樣有利于染色質(zhì)重塑復(fù)合物的重塑功能。由此可見(jiàn)，各個(gè)途徑都為相應(yīng)的基因表達(dá)提供了最高特異性和高效性。從表觀遺傳學(xué)的角度，為了更清楚地理解它們之間的相互聯(lián)系，越來(lái)越多的研究聚焦于這三類復(fù)合物參與的基因表達(dá)調(diào)控。

4 啟動(dòng)子區(qū)染色質(zhì)重塑復(fù)合物的靶定

關(guān)于染色質(zhì)重塑復(fù)合物在基因特定啟動(dòng)子上的募集特異性研究中發(fā)現(xiàn)，SWI/SNF復(fù)合物被募集到啟動(dòng)子上的方式主要是通過(guò)DNA結(jié)合的激活因子或抑制因子來(lái)實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)關(guān)于人SWI/SNF復(fù)合物亞基BAF57和BAF60a的研究表明均可與調(diào)節(jié)蛋白直接作用。在釀酒酵母的SWI/SNF亞基Snf5、SWI2/SNF2、和Swi1研究證實(shí)它們表現(xiàn)為一系列的激活因子在體內(nèi)發(fā)生相互作用而行使其功能的。但是在酵母細(xì)胞中，SWI/SNF分子只有100個(gè)左右，要想在特定啟動(dòng)子區(qū)域進(jìn)行核小體重塑，需要有靶基因周圍染色質(zhì)重塑復(fù)合物的富集才能實(shí)現(xiàn)。在基因啟動(dòng)子區(qū)對(duì)于染色質(zhì)重塑復(fù)合物的靶定募集存在兩種模式[23]：①染色質(zhì)重塑復(fù)合物直接結(jié)合序列特異性轉(zhuǎn)錄因子后再募集于特異性啟動(dòng)子區(qū)；②RNA聚合酶II先與染色質(zhì)重塑復(fù)合物結(jié)合后再被募集于特異性啟動(dòng)子區(qū)。根據(jù)體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)同時(shí)發(fā)現(xiàn)，如果SWI/SNF募集到的核小體呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，SWI/SNF的靶定需要同時(shí)滿足組蛋白乙?；约癝WI2/SNF2溴區(qū)存在兩個(gè)條件[24，25]；在體外實(shí)驗(yàn)中，SWI/SNF如果要結(jié)合到SUC2啟動(dòng)子上也必需有SWI2/SNF2溴區(qū)的存在。因此，從結(jié)合的穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)溴區(qū)在染色質(zhì)重塑復(fù)合物與染色質(zhì)的結(jié)合過(guò)程中是必需的，該溴區(qū)缺失或突變都會(huì)造成該過(guò)程的中斷，并在很大程度上減弱HAT的活性。

5 染色質(zhì)重塑復(fù)合物與轉(zhuǎn)錄抑制作用

從前面的論述可知，染色質(zhì)重塑復(fù)合物既有轉(zhuǎn)錄激活因子的作用，同時(shí)也具有抑制基因的轉(zhuǎn)錄的作用[26，27]。在抑制E2F活性的研究中發(fā)現(xiàn)，腫瘤抑制因子通過(guò)與E2F的直接結(jié)合以及先與其它蛋白質(zhì)結(jié)合后再與E2F結(jié)合形成復(fù)合物兩種形式，達(dá)到將SWI/SNF募集到E2F依賴的特異性基因啟動(dòng)子區(qū)的目的，最終抑制基因的轉(zhuǎn)錄活性[28]。

關(guān)于染色質(zhì)重塑復(fù)合物是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)啟動(dòng)子區(qū)的激活或抑制的問(wèn)題是近年來(lái)的熱點(diǎn)問(wèn)題。在人類細(xì)胞中研究發(fā)現(xiàn)SWI/SNF復(fù)合物中存在包括Sin3的HDACs成分等的不同形式，并且證明SWI/SNF復(fù)合物能以不同形式在基因轉(zhuǎn)錄抑制和激活方面分別發(fā)揮作用[29]。由此可見(jiàn)，HDACs模式、對(duì)染色質(zhì)重塑的模式都可能對(duì)于SWI/SNF復(fù)合物產(chǎn)生的抑制反應(yīng)。

另一種重要的基因抑制機(jī)制可能是染色質(zhì)重塑。用微球菌核酸酶消化處理野生型和Snf2突變型的釀酒酵母菌株SER3啟動(dòng)子區(qū)，結(jié)果顯示SWI/SNF通過(guò)染色質(zhì)重塑實(shí)現(xiàn)來(lái)直接抑制的作用。SWI/SNF對(duì)基因表達(dá)的抑制作用需要不同的亞基構(gòu)成來(lái)實(shí)現(xiàn)。SER3的基因表達(dá)抑制必需有SWI2/SNF2的存在，而其它亞基大部分都呈現(xiàn)出是對(duì)基因表達(dá)激活作用所必需。在研究SER3啟動(dòng)子區(qū)的抑制功能研究中，利用ChIP實(shí)驗(yàn)方法發(fā)現(xiàn)SWI/SNF復(fù)合物的兩個(gè)亞基SWI2/SNF2、Snf5都參與了基因的轉(zhuǎn)錄抑制。根據(jù)這些研究可以看出，SWI/SNF復(fù)合物對(duì)于基因特異性啟動(dòng)子區(qū)存在基因激活或抑制功能。SWI/SNF的基因表達(dá)抑制機(jī)制還很有限，有待未來(lái)進(jìn)一步的研究。

生物體要想適應(yīng)環(huán)境變化帶來(lái)的各種影響，需要通過(guò)基因表達(dá)調(diào)控進(jìn)行自我調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)：生物只有適應(yīng)環(huán)境才能生存。盡管機(jī)體中DNA序列承載了其全部生物學(xué)信息，但DNA序列中基因表達(dá)調(diào)控模式和機(jī)制研究都還有待進(jìn)一步的研究。染色質(zhì)重塑在為真核生物基因轉(zhuǎn)錄提供一條途徑的同時(shí)，也為基因表達(dá)調(diào)控增加了一種新的機(jī)制。不斷染色質(zhì)重塑復(fù)合物對(duì)基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制研究的進(jìn)一步深入，將有利于進(jìn)一步研究當(dāng)細(xì)胞處在不同狀態(tài)下，如在不同的細(xì)胞周期段、胚胎發(fā)育的不同時(shí)期、不同的器官和組織發(fā)育過(guò)程、不同的外界環(huán)境刺激影響等各種狀態(tài)下，基因時(shí)序性表達(dá)的啟閉、表達(dá)量與病理生理狀態(tài)的相關(guān)性[30，31]，為研究胚胎發(fā)育所致兒童先天性心臟疾病、免疫功能紊亂引發(fā)的常見(jiàn)兒科疾病、腫瘤等臨床治療的途徑及靶點(diǎn)提供基礎(chǔ)研究依據(jù)。