染色质重塑复合物与基因表达调控的研究进展

李 莉，樊玉玺，夏雨婷，冯德超，魏武然△

(1.四川大学华西第二医院小儿心血管科/出生缺陷与相关妇儿疾病教育部重点实验室,四川 成都 610041;2.四川大学华西医院泌尿外科，四川 成都 610041)

染色质中的基因在不同的细胞或不同的内外环境里均可随着染色质重塑而被调控进入相应的活化或抑制状态，从而导致疾病的发生或产生对生物体自身有益的变异。染色质重塑复合物被认为是染色质活化的动力，与组蛋白修饰、DNA甲基化、RNA干扰等一起重塑染色质结构，成为与经典遗传密码不同的表观遗传调控。本文将对染色质重塑复合物对基因表达的调控研究及进展进行综述，分类讨论各种类型染色质重塑复合物在基因表达中可能具有的重要作用，为深入研究染色质重塑复合物在胚胎发育、各个系统疾病的出现及进展机制提供理论研究基础。

1 染色质重塑复合物家族概述

染色质重塑是由ATP供给能量以及染色质重塑复合物去改变组蛋白与DNA的结合而实现的。染色质重塑复合物实现染色质重塑，是利用ATP水解产生的能量增加了转录因子与DNA 的可接近性, 这个过程主要是通过两种方式实现的，一种是使核小体的位置发生了移动，从而让DNA 序列被暴露或掩盖；另一种则是在靠近核心组蛋白的DNA表面通过建立起特殊的构象，从而使转录因子能够更易接近DNA, 因此，通过这个方式实现的染色质重塑过程也被称为核小体重塑[1，2]。每一个染色质重塑复合的构成都包括ATP酶核心亚基和数个不同的其他亚基。ATP酶核心亚基在功能上主要是起催化作用，ATP酶核心亚基具有不同的结构域，并根据此将染色质重塑复合物分为四类：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家族该家族主要包括酵母SWI/SNF复合物的SWI2/SNF2亚基，酵母RSC复合体的Sth1亚基，果蝇SWI/SNF复合体中的Brahma亚基以及人类SWI/SNF中的BRG1和BRM亚基[3]。SNF2家族的染色质重塑复合物一般含有12个亚基，其功能主要为“打开”或“破坏”核小体结构。酵母中的SWI/SNF复合体是目前研究最为彻底一类染色质重塑复合物，是大约20 MDa的大蛋白复合物，从酵母到人类都具有良好的保守性。SWI/SNF复合体被序列特异的DNA结合蛋白招募到转录调控区，然后通过染色质重塑作用调控基因转录活性。大约有5%的酵母基因受SWI/SNF复合体的调控，以达到基因激活或抑制的功能。酵母RSC复合体在构成上与SWI/SNF复合体很类似。它具有15个亚基，至少有2个亚基与SWI/SNF复合物相同，但它在转录调控作用方面却表现得更加广泛的特点。人的SWI/SNF复合体的核心亚基主要是BRG1或BRM，同时包括其它亚基的分子聚合物，主要参与激活基因转录以及基因重组等[4]。

1.2 ISWI家族ISWI家族又被称为SNF2L家族，主要与装配核小体和增强二胺色织结构稳定性相关，包括酵母中的ISWI1和ISWI2亚基，果蝇中ACF, NURF和CHRAC复合物相关的SWI蛋白，以及脊椎动物中RSF、NoRC、cHRAC、hACF和WICH复合物相关的SNF2L和SNF2R等亚基[5]。ISWI复合物可以分为：RSF、 HucHRAC、CAF1三类[6]。其中RSF主要由Hsnf-h亚基组成，其功能主要是参与转录的起始；HucHRAC则由Hsnf-2h、Hacf1等亚基组成，主要参与维持异染色质的复制；CAF1的主要功能是参与组装染色质[7]。ISWI家族虽不具有Bromo结构域，却具有SANT结构域。结构域亚基由N-CoR、SWI3、TFШB、ADA2组成 它们是c-myb的类似物，在ISW与DNA的结合中起可能作用。ISWI亚家族的复合体亚基相对比较少，其功能主要是与核小体装配和二胺色织结构增强稳定性有关。

1.3 Mi2/CHD家族有一个Chromo结构域和一个DNA结合模体，包括果蝇Mi-2复合体和人NuRD复合体中的CHD1、Mi-2α/ CHD1等亚基及一个HDAC活性亚基。同一个复合物中既有CHD1亚基又有HDAC活性亚基提示这些复合物也许利用染色质重塑活性来帮助组蛋白或其他DNA相关蛋白的乙酰化。含有INO80亚基的Ino80蛋白是一个包含12个亚基的大蛋白复合体，含有INO80亚基的Ino80蛋白是一个包含12个亚基的大蛋白复合体，又被称为Ino80.com。Ino80.com含有两个具有DNA螺旋酶的Rvb1和Rvb2亚基。Ino80.com既在基因转录中其作用又参与DNA的修复[8]。

1.4 其它家族其他SNF2样家族成员也具有内在的ATP依赖的染色质重塑活性。Rad54参与同源重组，与Rad51一起参与染色质重塑。CSB(Cockayne Syndrome protein B)参与核酸切除修复。DDM1蛋白对维护DNA甲基化和基因组的稳定性有重要作用[9]。

2 染色质重塑复合物的作用机制

ATP依赖的染色质重塑复合物的一个重要功能是暴露核小体的DNA。如前所述，染色质重塑这个过程的实现一方面是让靠近核心组蛋白的DNA表面建立特殊构象。相对于组蛋白的八聚体改变的模式，通过DNA发生滑动让其序列被暴露或掩盖是更为经典的一种模式。染色质重塑复合物具有的一个共同功能就是引起核小体位置的变化，研究者们经过研究证实这种共同的功能是通过完整的核小体八聚体在自身DNA上作顺式移动来实现的，并且能够让DNA不能被竞争性DNA 反式取代[10，11]。由此可见，这种滑动模式通过简单地改变暴露的DNA 位置，形成了一个被全新的八聚体，并实现了全新的转移定位。这种模式并不是通过增加暴露DNA 的数量来实现的，而原先和组蛋白作用的DNA 同时变为无核小体状态。

然而这种紧密相间的核小体区域中DNA 易接近性改变并不能用滑动模型来解释。一部分研究认为，ATP水解的能量可将一个可能出现随机瓦解的高能性中间体变成多个不同的重塑后的核小体状态。这些重塑后的核小体可能与核小体移动相关或不相关。SWI/SNF复合物通过改变组蛋白八聚体重塑染色质，从而形成稳定的核小体样结构。根据研究已经证实这种改变是由高能中间体引发的。例如在起始状态下，核小体上转录因子的结合位点B和C是被封闭的；SWI/SNF复合体通过使核小体移位，让结合位点B暴露、而位点A被封闭。在C位点上形成了双核小体复合物却可促进的某些转录因子的可接近性。通过此类研究证实SWI/SNF的重塑不仅仅会引起基因转录激活，也能造成基因转录的抑制。

另一方面，染色质重塑复合物还可以通过水解ATP产生能量，将超螺旋引入到核小体DNA 中，并且研究证实预期将在核小体DNA中引入可解离任何超螺旋的单链切口并不能抑制染色质重塑[12，13]，但若引入特异性位点的切口则有利于ISWI 复合物对于组蛋白八聚体滑动能力的影响。因此，超螺旋这种结构形态可能并不是ISWI 实现染色质重塑的重要机制部分；而瞬时碱基不配引起组蛋白与DNA发生相互作用可能更为关键。

3 染色质重塑复合物参与基因转录调控的主要方式

在染色体整体水体上，利用酵母SWI/SNF 复合物中各个亚基的突变体，对于各个基因的表达进行研究，发现复合物与大约6%的酵母基因表达密切相关，其中包含了Gcn5p的HATs以及5%酵母相关表达基因。染色质重塑复合物、组蛋白修饰复合物以及DNA 的结合都具有非特异性的特点，但基因的表达却具有高度的特异性，它们之间的调控机制由越来越多研究证实，一些特异性转录因子可以与染色质重塑复合物、组蛋白修饰复合物直接发生作用，然后将这两种复合物募集到靶基因的启动子上，实现复合物与DNA 的结合[14]。染色质重塑复合物与特异性基因序列的结合能力在很大程度上是由转录因子介导的，这种方式不仅可以提高染色质的重塑效率，而且可以提高转录活性[15]。

3.1 转录激活子对染色质重塑复合物及组蛋白乙酰转移酶(histone acetyltransferases，HATs)的募集SWI/SNF、HATs可以被特定的转录因子募集到特点基因启动子区是一个经典模式。例如，有研究证实糖皮质激素受体和雌激素受体将hSWI/SNF复合物募集到相应的应答元件上，是核受体介导的hSWI/SNF实现基因转录调控的重要方式[16，17]。HSF1、c-Myc、EBNA2、MyoD等转录激活子对于染色质重塑复合物也能发挥相似的募集作用，在特定条件下促进或激活基因的转录表达[18]。另外也有研究证实，MyoD和Mef2可以将SWI/SNF募集于特异性基因启动子区，在骨骼肌发生过程中激活晚期基因表达[19]。

3.2 抑制子对染色质重塑复合物及组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase,HDACs)的募集转录抑制子与转录激活子在功能上具有高度的相似性，它们都能对染色质重塑复合物、HDACs实现募集。研究证实，通过转录抑制子UME6介导，减数分裂早期的Isw2p复合物可以被募集到相关基因启动子区引发的染色质重塑可以在UME6相结合的位点附近发生。这种染色质重塑可以让染色质结构由疏松变得凝集，以达到基因表达抑制的目的[20]。在表观遗传学领域关于糖皮质激素

SWI/SNF复合物的研究证实，这一类复合物可由被HDAC1、p300和prohibitin等募集到糖皮质激素受体应答元件，最终导致募集区基因的表达受抑制[21]。因此，染色质重塑复合物、HATs、HDACs能够被特异性转录因子直接募集到特异性基因启动子区，类似于在基因转录的开端由特定启动子区引起了整个事件的开端，让启动子区周围染色质发生重塑, 最终实现基因激活或抑制[22]。

3.3 染色质重塑复合物、HATs及转录装置协同的作用染色质重塑复合物和HATs可以协同促进基因的表达。然而目前研究证实，染色质重塑复合物和HATs这两大类复合物之间也可以发生直接的相互作用。这种相互作用在增强与染色体的结合能力的同时还能够改变复合物的活性。而此时染色质重塑复合物引起的染色质重塑扮演着底物的角色，促进另一个复合物发挥作用。关于基因表达调控的研究中发现还需要基础转录装置的参与。基础转录装置和染色质重塑复合物在与启动子结合时，时序性上并没有绝对的特异性。特异性基因启动子区域存在特异性的激活途径，这样的特点能够为相应基因表达调控提供最高的特异性及高效性。当转录起始即将结束时，染色质重塑状态及与转录装置的时序性结合是相匹配的。在这些时序性转录调控途径中，各个途径之间存在利益最大化的优势，在该过程中可以理解为染色质重塑复合物有利于转录因子的结合，转录因子同样有利于染色质重塑复合物的重塑功能。由此可见，各个途径都为相应的基因表达提供了最高特异性和高效性。从表观遗传学的角度，为了更清楚地理解它们之间的相互联系，越来越多的研究聚焦于这三类复合物参与的基因表达调控。

4 启动子区染色质重塑复合物的靶定

关于染色质重塑复合物在基因特定启动子上的募集特异性研究中发现，SWI/SNF复合物被募集到启动子上的方式主要是通过DNA结合的激活因子或抑制因子来实现的。同时关于人SWI/SNF复合物亚基BAF57和BAF60a的研究表明均可与调节蛋白直接作用。在酿酒酵母的SWI/SNF亚基Snf5、SWI2/SNF2、和Swi1研究证实它们表现为一系列的激活因子在体内发生相互作用而行使其功能的。但是在酵母细胞中，SWI/SNF分子只有100个左右，要想在特定启动子区域进行核小体重塑，需要有靶基因周围染色质重塑复合物的富集才能实现。在基因启动子区对于染色质重塑复合物的靶定募集存在两种模式[23]：①染色质重塑复合物直接结合序列特异性转录因子后再募集于特异性启动子区；②RNA聚合酶II先与染色质重塑复合物结合后再被募集于特异性启动子区。根据体内外实验同时发现，如果SWI/SNF募集到的核小体呈现不稳定状态，SWI/SNF的靶定需要同时满足组蛋白乙酰化以及SWI2/SNF2溴区存在两个条件[24，25]；在体外实验中，SWI/SNF如果要结合到SUC2启动子上也必需有SWI2/SNF2溴区的存在。因此，从结合的稳定性来说溴区在染色质重塑复合物与染色质的结合过程中是必需的，该溴区缺失或突变都会造成该过程的中断，并在很大程度上减弱HAT的活性。

5 染色质重塑复合物与转录抑制作用

从前面的论述可知，染色质重塑复合物既有转录激活因子的作用，同时也具有抑制基因的转录的作用[26，27]。在抑制E2F活性的研究中发现，肿瘤抑制因子通过与E2F的直接结合以及先与其它蛋白质结合后再与E2F结合形成复合物两种形式，达到将SWI/SNF募集到E2F依赖的特异性基因启动子区的目的，最终抑制基因的转录活性[28]。

关于染色质重塑复合物是如何实现对启动子区的激活或抑制的问题是近年来的热点问题。在人类细胞中研究发现SWI/SNF复合物中存在包括Sin3的HDACs成分等的不同形式，并且证明SWI/SNF复合物能以不同形式在基因转录抑制和激活方面分别发挥作用[29]。由此可见，HDACs模式、对染色质重塑的模式都可能对于SWI/SNF复合物产生的抑制反应。

另一种重要的基因抑制机制可能是染色质重塑。用微球菌核酸酶消化处理野生型和Snf2突变型的酿酒酵母菌株SER3启动子区，结果显示SWI/SNF通过染色质重塑实现来直接抑制的作用。SWI/SNF对基因表达的抑制作用需要不同的亚基构成来实现。SER3的基因表达抑制必需有SWI2/SNF2的存在，而其它亚基大部分都呈现出是对基因表达激活作用所必需。在研究SER3启动子区的抑制功能研究中，利用ChIP实验方法发现SWI/SNF复合物的两个亚基SWI2/SNF2、Snf5都参与了基因的转录抑制。根据这些研究可以看出，SWI/SNF复合物对于基因特异性启动子区存在基因激活或抑制功能。SWI/SNF的基因表达抑制机制还很有限，有待未来进一步的研究。

生物体要想适应环境变化带来的各种影响，需要通过基因表达调控进行自我调节来实现：生物只有适应环境才能生存。尽管机体中DNA序列承载了其全部生物学信息，但DNA序列中基因表达调控模式和机制研究都还有待进一步的研究。染色质重塑在为真核生物基因转录提供一条途径的同时，也为基因表达调控增加了一种新的机制。不断染色质重塑复合物对基因表达调控机制研究的进一步深入，将有利于进一步研究当细胞处在不同状态下，如在不同的细胞周期段、胚胎发育的不同时期、不同的器官和组织发育过程、不同的外界环境刺激影响等各种状态下，基因时序性表达的启闭、表达量与病理生理状态的相关性[30，31]，为研究胚胎发育所致儿童先天性心脏疾病、免疫功能紊乱引发的常见儿科疾病、肿瘤等临床治疗的途径及靶点提供基础研究依据。