染色質重塑復合物與基因表達調控的研究進展

李 莉，樊玉璽，夏雨婷，馮德超，魏武然△

(1.四川大學華西第二醫院小兒心血管科/出生缺陷與相關婦兒疾病教育部重點實驗室,四川 成都 610041;2.四川大學華西醫院泌尿外科，四川 成都 610041)

染色質中的基因在不同的細胞或不同的內外環境里均可隨著染色質重塑而被調控進入相應的活化或抑制狀態，從而導致疾病的發生或產生對生物體自身有益的變異。染色質重塑復合物被認為是染色質活化的動力，與組蛋白修飾、DNA甲基化、RNA干擾等一起重塑染色質結構，成為與經典遺傳密碼不同的表觀遺傳調控。本文將對染色質重塑復合物對基因表達的調控研究及進展進行綜述，分類討論各種類型染色質重塑復合物在基因表達中可能具有的重要作用，為深入研究染色質重塑復合物在胚胎發育、各個系統疾病的出現及進展機制提供理論研究基礎。

1 染色質重塑復合物家族概述

染色質重塑是由ATP供給能量以及染色質重塑復合物去改變組蛋白與DNA的結合而實現的。染色質重塑復合物實現染色質重塑，是利用ATP水解產生的能量增加了轉錄因子與DNA 的可接近性, 這個過程主要是通過兩種方式實現的，一種是使核小體的位置發生了移動，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表面通過建立起特殊的構象，從而使轉錄因子能夠更易接近DNA, 因此，通過這個方式實現的染色質重塑過程也被稱為核小體重塑[1，2]。每一個染色質重塑復合的構成都包括ATP酶核心亞基和數個不同的其他亞基。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構域，并根據此將染色質重塑復合物分為四類：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復合物的SWI2/SNF2亞基，酵母RSC復合體的Sth1亞基，果蠅SWI/SNF復合體中的Brahma亞基以及人類SWI/SNF中的BRG1和BRM亞基[3]。SNF2家族的染色質重塑復合物一般含有12個亞基，其功能主要為“打開”或“破壞”核小體結構。酵母中的SWI/SNF復合體是目前研究最為徹底一類染色質重塑復合物，是大約20 MDa的大蛋白復合物，從酵母到人類都具有良好的保守性。SWI/SNF復合體被序列特異的DNA結合蛋白招募到轉錄調控區，然后通過染色質重塑作用調控基因轉錄活性。大約有5%的酵母基因受SWI/SNF復合體的調控，以達到基因激活或抑制的功能。酵母RSC復合體在構成上與SWI/SNF復合體很類似。它具有15個亞基，至少有2個亞基與SWI/SNF復合物相同，但它在轉錄調控作用方面卻表現得更加廣泛的特點。人的SWI/SNF復合體的核心亞基主要是BRG1或BRM，同時包括其它亞基的分子聚合物，主要參與激活基因轉錄以及基因重組等[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二胺色織結構穩定性相關，包括酵母中的ISWI1和ISWI2亞基，果蠅中ACF, NURF和CHRAC復合物相關的SWI蛋白，以及脊椎動物中RSF、NoRC、cHRAC、hACF和WICH復合物相關的SNF2L和SNF2R等亞基[5]。ISWI復合物可以分為：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的復制；CAF1的主要功能是參與組裝染色質[7]。ISWI家族雖不具有Bromo結構域，卻具有SANT結構域。結構域亞基由N-CoR、SWI3、TFШB、ADA2組成 它們是c-myb的類似物，在ISW與DNA的結合中起可能作用。ISWI亞家族的復合體亞基相對比較少，其功能主要是與核小體裝配和二胺色織結構增強穩定性有關。

1.3 Mi2/CHD家族有一個Chromo結構域和一個DNA結合模體，包括果蠅Mi-2復合體和人NuRD復合體中的CHD1、Mi-2α/ CHD1等亞基及一個HDAC活性亞基。同一個復合物中既有CHD1亞基又有HDAC活性亞基提示這些復合物也許利用染色質重塑活性來幫助組蛋白或其他DNA相關蛋白的乙酰化。含有INO80亞基的Ino80蛋白是一個包含12個亞基的大蛋白復合體，含有INO80亞基的Ino80蛋白是一個包含12個亞基的大蛋白復合體，又被稱為Ino80.com。Ino80.com含有兩個具有DNA螺旋酶的Rvb1和Rvb2亞基。Ino80.com既在基因轉錄中其作用又參與DNA的修復[8]。

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

2 染色質重塑復合物的作用機制

ATP依賴的染色質重塑復合物的一個重要功能是暴露核小體的DNA。如前所述，染色質重塑這個過程的實現一方面是讓靠近核心組蛋白的DNA表面建立特殊構象。相對于組蛋白的八聚體改變的模式，通過DNA發生滑動讓其序列被暴露或掩蓋是更為經典的一種模式。染色質重塑復合物具有的一個共同功能就是引起核小體位置的變化，研究者們經過研究證實這種共同的功能是通過完整的核小體八聚體在自身DNA上作順式移動來實現的，并且能夠讓DNA不能被競爭性DNA 反式取代[10，11]。由此可見，這種滑動模式通過簡單地改變暴露的DNA 位置，形成了一個被全新的八聚體，并實現了全新的轉移定位。這種模式并不是通過增加暴露DNA 的數量來實現的，而原先和組蛋白作用的DNA 同時變為無核小體狀態。

然而這種緊密相間的核小體區域中DNA 易接近性改變并不能用滑動模型來解釋。一部分研究認為，ATP水解的能量可將一個可能出現隨機瓦解的高能性中間體變成多個不同的重塑后的核小體狀態。這些重塑后的核小體可能與核小體移動相關或不相關。SWI/SNF復合物通過改變組蛋白八聚體重塑染色質，從而形成穩定的核小體樣結構。根據研究已經證實這種改變是由高能中間體引發的。例如在起始狀態下，核小體上轉錄因子的結合位點B和C是被封閉的；SWI/SNF復合體通過使核小體移位，讓結合位點B暴露、而位點A被封閉。在C位點上形成了雙核小體復合物卻可促進的某些轉錄因子的可接近性。通過此類研究證實SWI/SNF的重塑不僅僅會引起基因轉錄激活，也能造成基因轉錄的抑制。

另一方面，染色質重塑復合物還可以通過水解ATP產生能量，將超螺旋引入到核小體DNA 中，并且研究證實預期將在核小體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重塑[12，13]，但若引入特異性位點的切口則有利于ISWI 復合物對于組蛋白八聚體滑動能力的影響。因此，超螺旋這種結構形態可能并不是ISWI 實現染色質重塑的重要機制部分；而瞬時堿基不配引起組蛋白與DNA發生相互作用可能更為關鍵。

3 染色質重塑復合物參與基因轉錄調控的主要方式

在染色體整體水體上，利用酵母SWI/SNF 復合物中各個亞基的突變體，對于各個基因的表達進行研究，發現復合物與大約6%的酵母基因表達密切相關，其中包含了Gcn5p的HATs以及5%酵母相關表達基因。染色質重塑復合物、組蛋白修飾復合物以及DNA 的結合都具有非特異性的特點，但基因的表達卻具有高度的特異性，它們之間的調控機制由越來越多研究證實，一些特異性轉錄因子可以與染色質重塑復合物、組蛋白修飾復合物直接發生作用，然后將這兩種復合物募集到靶基因的啟動子上，實現復合物與DNA 的結合[14]。染色質重塑復合物與特異性基因序列的結合能力在很大程度上是由轉錄因子介導的，這種方式不僅可以提高染色質的重塑效率，而且可以提高轉錄活性[15]。

3.1 轉錄激活子對染色質重塑復合物及組蛋白乙酰轉移酶(histone acetyltransferases，HATs)的募集SWI/SNF、HATs可以被特定的轉錄因子募集到特點基因啟動子區是一個經典模式。例如，有研究證實糖皮質激素受體和雌激素受體將hSWI/SNF復合物募集到相應的應答元件上，是核受體介導的hSWI/SNF實現基因轉錄調控的重要方式[16，17]。HSF1、c-Myc、EBNA2、MyoD等轉錄激活子對于染色質重塑復合物也能發揮相似的募集作用，在特定條件下促進或激活基因的轉錄表達[18]。另外也有研究證實，MyoD和Mef2可以將SWI/SNF募集于特異性基因啟動子區，在骨骼肌發生過程中激活晚期基因表達[19]。

3.2 抑制子對染色質重塑復合物及組蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase,HDACs)的募集轉錄抑制子與轉錄激活子在功能上具有高度的相似性，它們都能對染色質重塑復合物、HDACs實現募集。研究證實，通過轉錄抑制子UME6介導，減數分裂早期的Isw2p復合物可以被募集到相關基因啟動子區引發的染色質重塑可以在UME6相結合的位點附近發生。這種染色質重塑可以讓染色質結構由疏松變得凝集，以達到基因表達抑制的目的[20]。在表觀遺傳學領域關于糖皮質激素

SWI/SNF復合物的研究證實，這一類復合物可由被HDAC1、p300和prohibitin等募集到糖皮質激素受體應答元件，最終導致募集區基因的表達受抑制[21]。因此，染色質重塑復合物、HATs、HDACs能夠被特異性轉錄因子直接募集到特異性基因啟動子區，類似于在基因轉錄的開端由特定啟動子區引起了整個事件的開端，讓啟動子區周圍染色質發生重塑, 最終實現基因激活或抑制[22]。

3.3 染色質重塑復合物、HATs及轉錄裝置協同的作用染色質重塑復合物和HATs可以協同促進基因的表達。然而目前研究證實，染色質重塑復合物和HATs這兩大類復合物之間也可以發生直接的相互作用。這種相互作用在增強與染色體的結合能力的同時還能夠改變復合物的活性。而此時染色質重塑復合物引起的染色質重塑扮演著底物的角色，促進另一個復合物發揮作用。關于基因表達調控的研究中發現還需要基礎轉錄裝置的參與。基礎轉錄裝置和染色質重塑復合物在與啟動子結合時，時序性上并沒有絕對的特異性。特異性基因啟動子區域存在特異性的激活途徑，這樣的特點能夠為相應基因表達調控提供最高的特異性及高效性。當轉錄起始即將結束時，染色質重塑狀態及與轉錄裝置的時序性結合是相匹配的。在這些時序性轉錄調控途徑中，各個途徑之間存在利益最大化的優勢，在該過程中可以理解為染色質重塑復合物有利于轉錄因子的結合，轉錄因子同樣有利于染色質重塑復合物的重塑功能。由此可見，各個途徑都為相應的基因表達提供了最高特異性和高效性。從表觀遺傳學的角度，為了更清楚地理解它們之間的相互聯系，越來越多的研究聚焦于這三類復合物參與的基因表達調控。

4 啟動子區染色質重塑復合物的靶定

關于染色質重塑復合物在基因特定啟動子上的募集特異性研究中發現，SWI/SNF復合物被募集到啟動子上的方式主要是通過DNA結合的激活因子或抑制因子來實現的。同時關于人SWI/SNF復合物亞基BAF57和BAF60a的研究表明均可與調節蛋白直接作用。在釀酒酵母的SWI/SNF亞基Snf5、SWI2/SNF2、和Swi1研究證實它們表現為一系列的激活因子在體內發生相互作用而行使其功能的。但是在酵母細胞中，SWI/SNF分子只有100個左右，要想在特定啟動子區域進行核小體重塑，需要有靶基因周圍染色質重塑復合物的富集才能實現。在基因啟動子區對于染色質重塑復合物的靶定募集存在兩種模式[23]：①染色質重塑復合物直接結合序列特異性轉錄因子后再募集于特異性啟動子區；②RNA聚合酶II先與染色質重塑復合物結合后再被募集于特異性啟動子區。根據體內外實驗同時發現，如果SWI/SNF募集到的核小體呈現不穩定狀態，SWI/SNF的靶定需要同時滿足組蛋白乙酰化以及SWI2/SNF2溴區存在兩個條件[24，25]；在體外實驗中，SWI/SNF如果要結合到SUC2啟動子上也必需有SWI2/SNF2溴區的存在。因此，從結合的穩定性來說溴區在染色質重塑復合物與染色質的結合過程中是必需的，該溴區缺失或突變都會造成該過程的中斷，并在很大程度上減弱HAT的活性。

5 染色質重塑復合物與轉錄抑制作用

從前面的論述可知，染色質重塑復合物既有轉錄激活因子的作用，同時也具有抑制基因的轉錄的作用[26，27]。在抑制E2F活性的研究中發現，腫瘤抑制因子通過與E2F的直接結合以及先與其它蛋白質結合后再與E2F結合形成復合物兩種形式，達到將SWI/SNF募集到E2F依賴的特異性基因啟動子區的目的，最終抑制基因的轉錄活性[28]。

關于染色質重塑復合物是如何實現對啟動子區的激活或抑制的問題是近年來的熱點問題。在人類細胞中研究發現SWI/SNF復合物中存在包括Sin3的HDACs成分等的不同形式，并且證明SWI/SNF復合物能以不同形式在基因轉錄抑制和激活方面分別發揮作用[29]。由此可見，HDACs模式、對染色質重塑的模式都可能對于SWI/SNF復合物產生的抑制反應。

另一種重要的基因抑制機制可能是染色質重塑。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啟動子區，結果顯示SWI/SNF通過染色質重塑實現來直接抑制的作用。SWI/SNF對基因表達的抑制作用需要不同的亞基構成來實現。SER3的基因表達抑制必需有SWI2/SNF2的存在，而其它亞基大部分都呈現出是對基因表達激活作用所必需。在研究SER3啟動子區的抑制功能研究中，利用ChIP實驗方法發現SWI/SNF復合物的兩個亞基SWI2/SNF2、Snf5都參與了基因的轉錄抑制。根據這些研究可以看出，SWI/SNF復合物對于基因特異性啟動子區存在基因激活或抑制功能。SWI/SNF的基因表達抑制機制還很有限，有待未來進一步的研究。

生物體要想適應環境變化帶來的各種影響，需要通過基因表達調控進行自我調節來實現：生物只有適應環境才能生存。盡管機體中DNA序列承載了其全部生物學信息，但DNA序列中基因表達調控模式和機制研究都還有待進一步的研究。染色質重塑在為真核生物基因轉錄提供一條途徑的同時，也為基因表達調控增加了一種新的機制。不斷染色質重塑復合物對基因表達調控機制研究的進一步深入，將有利于進一步研究當細胞處在不同狀態下，如在不同的細胞周期段、胚胎發育的不同時期、不同的器官和組織發育過程、不同的外界環境刺激影響等各種狀態下，基因時序性表達的啟閉、表達量與病理生理狀態的相關性[30，31]，為研究胚胎發育所致兒童先天性心臟疾病、免疫功能紊亂引發的常見兒科疾病、腫瘤等臨床治療的途徑及靶點提供基礎研究依據。