染色质重塑其机制和意义

染色质染色质重塑其机制及意义重塑其机制及意义 1.1.染色质染色质重塑重塑的的定义与种类定义与种类 1.1 染色质染色质重塑重塑定义定义 染色质重塑(chromatin remodeling)是通过调整核小体的相位， 中和组蛋白尾巴碱性氨 基酸残基（赖氨酸 K、精氨酸 R、组氨酸 H 等）带正电荷，减弱核小体中碱性氨基酸与 DNA 的结合，降低相邻核小体间的聚集使核小体滑动暴露本来被遮蔽的元件，或使核 小体表面的元件瞬间暴露的动态变化过程。 1.2 染色质染色质重塑种类重塑种类 主要有两类酶调控染色质重塑的过程：组蛋白修饰因子(histone modifiers) 以及 ATP 依赖的染色质重塑因子(chromatin remodelers)。染色质重塑是基因表达表观遗传水平上 控制的主要调控方式, 包括： 1.2.1 依赖 ATP 的染色质物理修饰： 即 ATP 水解供能使核小体沿 DNA 滑动，或使核小体解离并重新装配。由于延伸中 RNA 聚合酶 II 的周围总是伴有核小体，这些核小体又是会处于部分解离部分装配的动 态平衡状态,此染色质物理重塑复合体对于转录延伸也具有重要意义。 1.2.2 染色质的共价化学修饰： 即多发生在组蛋白末端“尾巴”的乙酰化、磷酸化、甲基化和泛素化、SUMO 化和 ADP-核糖化等。 由于组蛋白末端部分含有一些带活性基团的氨基酸残基， 这些氨基酸残 基成为各种化学修饰的靶点，染色质的共价化学修饰主要发生在组蛋白末端的尾部，尤 其是核心组蛋白的氨基末端尾部。 2.2.染色质染色质重塑重塑的机制的机制 2.1 依赖依赖 ATP 染色质物理修饰染色质物理修饰 依赖 ATP 染色质物理修饰是通过依赖 ATP 的染色质重塑复合体作用实现。 这些重塑 复合体多数是以 ATP 水解酶为催化中心的多蛋白亚基复合体。根据其中的 ATP 水解酶 的序列和结构不同， 重塑子至少可分为五类： SWI/SNF 家族复合体、 ISWI 家族复合体、 CHD 家族复合体、INO80 家族复合体、SWR1。 2.1.1 不同重塑子的染色体物理修饰方式 其中 ISWI 家族复合体帮助将核小体组织为合适的捆绑形式并建立核小体等距排布； 而 SWI/SNF 重塑子则主要扰乱核小体的秩序。ISWI 家族复合体被证明在 DNA 复制后 染色质的组装和维持染色质高级结构中发挥中心作用。 INO80 和 SWI/SNF 家族复合体 参与 DNA 双链断裂(DSB)修复和核苷酸切除修复(NER)。因而在 p53 介导的对 DNA 损 伤的反应中发挥中心作用。NuRD/Mi-2/CHD 主要在核内介导转录阻遏，并是维护胚胎 干细胞的多能性所需。依赖 ATP 的染色质重塑复合体中的的多种结构域在核小体识别 中发挥作用：Bromodomain 是其中常见的基序, 约 110 aa, 由 4 个-螺旋有可变长度环 区连接形成一个疏水口袋， 可以识别乙酰化的赖氨酸残基； Chomodomain(CHD) 常以两 个串联的方式出现在 N 端，能结合甲基化的赖氨酸残基；ISWI 特有的 SANT-SLIDE 结 构域协同发挥识别核小体和激活 ATPase 的功能。组蛋白化学修饰影响重塑复合体定 位并提供信息。虽然这些复合体都具 ATP 酶活性区域，但由于每种复合体在其 ATP 酶 区域有独特构域和招募不同的复合物亚基，使得它们能够选择性结合核小体、稳定核小 体、重塑核小体的结构，它们结合的靶点不同表现的功能也有差别，表现出在 DNA 修 复、凋亡等过程中功能的特异性。 2.2 染色质的化学修饰染色质的化学修饰 染色质的化学修饰是对组蛋白的共价修饰由于组蛋白末端部分含有一些带活性基团 的氨基酸残基，这些氨基酸残基成为各种化学修饰的靶点，染色质的共价化学修饰主要 发生在组蛋白末端的尾部，尤其是核心组蛋白的氨基末端尾部。 染色质的化学修饰通过特异酶的作用进行的。主要包括：乙酰化(acetylation)、磷酸 化(phosphorylation)、 甲基化(methylation)、 泛素化(methylation)、 SUMO 化(SUMOylation)、 聚 ADP 核糖基化（polyADP-ribosylation)、脯氨酸异构化(proline isomerization)等。 2.2.1 组蛋白乙酰化 组蛋白乙酰化是转录激活的标志， 一般发生于组蛋白暴露在外的 N 端尾巴。 组蛋白乙酰 化酶 HATs 根据他们的亚细胞定位可以被分为 2 类。A 类 HATs (Type A HATs) 定位于细 胞核，含 bromodomain，主要与核小体组蛋白的乙酰化反应，和转录活化密切相关。B 类 HATs 定位于细胞浆，无 bromodomain，主要识别新合成的核心组蛋白并负责其在组 装核小体前的乙酰化。 2.2.2 组蛋白去乙酰化 组蛋白去乙酰化与转录抑制相关，并参与多条信号传导通路。组蛋白去乙酰基酶共发现 10 种亚型， 大致可以被分成 3 类：第一类，包括 HDAC13 和 HDAC8。第二类，包括 HDAC47 和 HDAC9、10；其中 HDAC4、HDAC5、HDAC7 内都有高度保守的 C 末端 催化结构域，可构成一个亚家族，而 HDAC6 则包含一个复制的催化结构域。第三类， 原型是酵母 Sir 蛋白，其催化反应方式比较独特，并且需要辅助因子 NAD+。 2.2.3 组蛋白甲基化 组蛋白甲基化是近年来发现的另一个重要的表观遗传标记。 组蛋白甲基化及其调控较其 他修饰更为复杂，因为组蛋白甲基化不仅对转录具有正向或反向调控，同时有多种甲基 化修饰状态及多种甲基化酶协同、竞争或特异性调节的组合。 组蛋白甲基化主要是赖氨酸和精氨酸的甲基化与去甲基化，以及精氨酸的瓜基化。甲基 化的结果可以是激活或者抑制转录。组蛋白 N 端尾巴上的精氨酸与赖氨酸可以发生甲 基化修饰，而且甲基化的修饰是多步进行的。其中，精氨酸可以发生对称和不对称的双 甲基化修饰，而赖氨酸可以产生双甲基化和三甲基化的修饰。 （见图 1） 图 1 氨基酸甲基化模式图 2.2.4 组蛋白泛素化、组蛋白 SUMO 化、聚 ADP 核糖基化、脯氨酸异构化 组蛋白泛素化已发现的位点有 H2AK119 和 H2BK120。其中 H2AK119 位点泛素化与抑 制转录有关；相反 H2BK12 位点的泛素化激活转录，并在组蛋白伴侣分子 FACT 帮助 下在转录延伸中发挥作用。 组蛋白 SUMO 化在 4 种核心组蛋白都可发生，并在 H4、H2A、H2B 上都已发现了一些 特异位点。组蛋白 SUMO 化拮抗在同一赖氨酸残基上的乙酰化和泛素化，因而具有抑 制转录的作用。 组蛋白聚 ADP 核糖基化可以在组蛋白上加上 1 个或多个 ADP 分子。组蛋白聚 ADP 核 糖基化的活性依赖于缺口单链或双链 DNA 的存在。可引起 DNA 部分地与核心组蛋白 分离，且构象变化可逆。 由于脯氨酸具有顺势和反式构象， 脯氨酸顺势和反式构象的转变会严重扭曲多肽链的骨 架。酵母中发现，FPR4 能催化 H3 尾部的脯氨酸异构化(H3P38), 并调节 H3P36 的甲基 化水平。 2.2.5 染色质的化学修饰的相互作用 组蛋白尾部上的大量修饰使得它们之间可能互相干扰， 修饰间的相互对话可能发生在不 同水平。细胞不同阶段和不同功能活动中组蛋白化学修饰可以是不同的，主要表现为： (1)组蛋白化学修饰类型可能是单一的，也可能是多种联合; (2)空间上，各种化学修饰的组蛋白底物可能相同，也可能不同； (3)时间上，各种化学修饰可能是同时的，也可能不同时； (4)功能上，各种化学修饰的效应可能是协同的，也可能相反。 3.3. 染色质染色质重塑重塑的意义的意义 对于基因转录，重塑复合体可以是抑制性的或激活性的。前者帮助局部区域装配成 规则的核小体结构，限制反式作用因子与 DNA 接近，去除已结合在 DNA 上的蛋白因 子，吸引其它能够加强抑制作用的染色质修饰因子。而后者使核小体位移、重排或排除 以暴露 DNA，通过扩大无核小体区域增强与其它转录因子与上游转录增强因子的结合 或促进转录机件与启动子区域结合。 核小体在转录延伸中是一道障碍，但转录区通常不会完全清除核小体以避免非特异 性转录。延伸中 RNA 聚合酶 II 的周围总是伴有核小体，这些核小体又是会处于部分解 离部分装配的动态平衡状态。有研究显示酵母 Chd1 和延伸中 RNA 聚合酶 II 共定位， 而且 Chd1 还能在体外装配核小体，因此染色质物理重塑复合体对于转录延伸也具有重 要意义。 组蛋白修饰对基因转录活性的调控是局部染色质区域多种修饰共同作用的结果，在 此过程中形成了复杂的协同或拮抗作用。 位于相同或不同残基上的各种组蛋白修饰包括 甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等可以相互影响: 同一残基上的不同修饰多为相斥作 用，而不同位点上的修饰则可能相斥或协同。当然也存在通过蛋白或复合物相互作用而 实现的不同位点之间甲基化修饰（甲基化与去甲基化）以及修饰程度之间的关联。与不 同复合物