1).定义
染色质是由DNA双螺旋分子缠绕组蛋白八聚体(H2A、H2B、H3和H4各2分子)形成核小体,再由核小体高度有序的排列而成.染色质紧密的超螺旋结构限制了转录因子对DNA的接近与结合,从而抑制了真核细胞基因的转录过程.基因活化和转录需要染色质发生一系列重要的变化,如染色质去凝集,核小体变成开放式的疏松结构,使转录因子等更易接近并结合核小体DNA,染色质这种结构的变化即染色质重塑(chromatin remodeling).染色质重塑主要有两种类型:一种是依赖ATP的物理修饰:ATP水解释放的能量使组蛋白和DNA的构象发生局部改变;另一种是共价化学修饰:多发生在组蛋白末端尾巴,包括乙酰化、磷酸化、甲基化和泛素化等，这些修饰即“组蛋白密码”，它控制着基因转录和其他染色质调控的过程（Jenuwein and Allis，2001）。
染色质的物理修饰主要是通过依赖ATP的染色质重塑复合体来完成的.这些复合体是一种以ATP 酶为催化中心的多种蛋白亚基复合体,它利用ATP水解的能量来增加核小体DNA的可接近性,可以移动核小体的位置使DNA序列暴露或被掩盖,它还能在DNA靠近组蛋白八聚体的表面建立特殊的构象,从而对基因转录进行调控.到目前为止,依赖ATP的染色质重塑复合体的ATP酶亚基的ATP酶结构域具有同源性,此外还分别含有其他不同的结构域,从而分为3类:SWI/SNF类;ISWI类;Mi-2类(Sundarsananm et al.,2000;Lanst et al.,2001).见下图.
种类
SWI/SNF类
ISWI类
Mi2类
特有结构域
Bromo域
SANT域
Chromo域
酵母
ySWI/SNF;yRSC
yISW1;yISW2
无
果蝇
Brahma复合体
ACF;NURF;CHRAC
Mi-2
人类
hBRM和hBRG1复合体
RSF
NURD(或者NRD)
(2).SWI/SNF类介导染色质重塑的信号转导机制
酵母ySWI/SNF是第一个被确认的ATP依赖的重塑复合体,Snf2p是ySWI/SNF的最大亚基,具有ATP酶活性.在这里,我通过SWI/SNF类来介绍一下染色质重塑的信号转导过程.
大多的研究集中于染色质重塑复合物对转录的调控,而实际上染色质重塑复合物还参与了DNA复制、修复以及重组等过程.
a. SWI/SNF类各亚基的功能
SWI/SNF复合体由九个或更多的亚基组成,其中包括保守的ATP酶亚基和其他非保守亚基
研究发现Swi3/BAF155/BAF170和Snf5/Ini1,可在体内刺激hBRG1的染色质重塑活性(Phelan et al.,1999).现在对SWI/SNF各亚基的功能所知有限.
通过DNA结合的激动子(activators)或抑制子(repressors),把SWI/SNF复合体招募至启动子.这可能也与SWI/SNF复合体的特异选择有关.例如,体外试验发现在人体内,只有Swi/Snf-B可被核受体激活,而Swi/Snf-A就不能(Lemon et al.,2001).当然,也可能SWI/SNF的招募不完全由调节因子来控制.最近研究发现只有在人类α1抗胰岛素起始复合物(antitrypsin preinitiation complex)完整组装后才能被招募至α1抗胰岛素启动子(Soutoglou and Talianidis,2002).
我们知道,所有的Swi2/Snf2 ATPases都包含有一个bromodomain,这个结构域在体外试验中可以结合组蛋白N末端尾巴的乙酰化赖氨酸残基,但是它在体内如何起的作用目前还不很清楚.但体外试验已证明对Swi/Snf和染色质的相互作用,这个结构域是必须的.在试验中Swi/Snf被招募并稳定结合于核小体模板上,其中乙酰化组蛋白和Swi2/Snf2bromodomain都是必须的.另外,还发现在Swi/Snf结合于SUC2启动子时,bromodomain也是必须的(Joseph and Fred,2003).
在SWI/SNF复合体上存在两个重要的DNA结合模体(DNA-binding motif):HMG domain和SANT domain.研究发现BAP111(dBrahma的亚基)和BAF57(hBRG 的亚基)分别含有一个HMG(high mobility group)结构域.体外试验发现在果蝇中,缺少HMG模体的BAP111是没有功能的(Papoulas et al.,2001).通过对人T细胞的研究发现,缺少HMG模体的BAF57也丧失了基因调控作用(Chi et al.,2002).Swi3和Rsc8包含SANT结构域,该结构域是c-myb的类似物.虽然最大的可能是SNAT在SWI/SNF和DNA结合中起作用,但是也不能否认可能在SWI/SNF复合体的招募和复合体的催化过程中起作用.除了HMG和SANT结构域外,还在hBRM中发现的A/T hook motif也可能有DNA结合作用(BourachotB et al.,1999),以及在Swi9,Rsc9,和Baf250中发现ARID(AT-rich interaction domain)(Wilsker et al.,2002),Wilsker等最近通过对人类P70和酵母SWII中的ARID的比较,发现了ARID和DNA结合没有特异性,并排除了ARID招募复合体至特异启动子的可能性(Wilsker et al.,2004).
b. SWI/SNF复合体的抑制转录功能
SWI/SNF复合体激活基因转录的功能已经被肯定,一些证据显示它同时还具有抑制基因转录的功能.研究发现抑制素(prohibitin)就是通过招募至SWI/SNF至E2F依赖启动子而抑制E2F的转录(Wang et al.,2002),另一个肿瘤抑制因子Rb（retinoblastoma）也有类似作用SWI/SNF还可被CoREST corepressor招募至神经基因并直接于DNA结合抑制子REST作用而抑制基因转录(Belanclia et al.,2002).最近发现SNR1(SNF5-related-1),一个Brahma复合体中高度保守的亚单位在HDAC(histone deacetylase)等参与下介导基因抑制作用(Marenda et al.,2004).
RSC复合体最初是在出芽酵母(S.Cerevisiae)中鉴定出来的,含有15个亚基,其中至少有2个亚基与ySWI/SNF的亚基相同.RSC复合体的生物化学特性与ySWI/SNF相似.研究发现RSC也同时有激活或抑制基因转录的功能.
为什么SWI/SNF激活一些启动子而抑制另一些启动子?最可能的原因就是体内存在不同形式SWI/SNF复合体从而发挥不同作用.目前抑制基因转录的机制还不清楚,可能和HDAC或染色质重塑有关.已经发现SWI/SNF复合体发挥抑制作用时需要的亚单位与发挥激活作用时有所不同.
c. SWI/SNF类介导的染色质重塑机理
a).重塑复合体与染色质的结合
在激活或抑制基因转录前,重塑复合体首先需要识别和结合核小体,SWI/SNF及相关的RSC复合体与核小体有高度亲和性.SWI/SNF复合体上了有DNA结合模体,可以非特异性与一些特殊空间结构的DNA,特别是与十字形DNA的结合.SWI/SNF能够以很低的亲和力与DNA-核小体结合,并利用其水解ATP产生的能量或减弱核小体中DNA-组蛋白的结合.这时,尽管核小体的整体结构只发生了极微小的变化,但却使核小体部位的DNA同转录因子的亲和力增加了30倍以上.
b).依赖ATP的核小体解离
SWI/SNF和RSC复合体可以破坏核小体核心颗粒上DNA的旋转相,进而激活转录因子和核小体的结合.hBRG1和hBRM在无其他亚基的情况下也可以重塑核小体,但另外3个亚基INII,BAF155及BAF170的存在对核小体的重塑效率更高.当核小体解离时,组蛋白与DNA的相互作用被降低或稳定性下降,而致转录因子对DNA的亲和性增加.SWI/SNF或RSC复合体不但能够引起核小体的解离,而且能够加速解离的核小体回到原始状态,可见这些复合体能催化这2种核小体构象之间的相互转变.
c).重塑机制
SWI/SNF复合体介导的染色质重塑可能涉及的机制有:核小体滑动(nuclesome sliding)、双核小体的形成(dinucleosome formation)、核小体结构的改变以及八聚体的移位.现在仍不清楚染色质重塑过程涉及哪一个或几个重塑机制.最近的研究多集中在八聚体滑动、DNA扭转(twisting)和DNA移位(Joseph and Fred,2003).
依赖ATP的染色质重塑复合体都含有一个具有DNA激活的ATP酶活性部位,即ATP酶亚基,其核心功能使水解ATP并利用ATP水解释放的能量去减弱核小体中DNA-组蛋白的结合力.
Swi2和Snf2蛋白虽没有解旋酶活性,却属于DNA解旋酶SF2家族.而纯化的SWI/SNF复合体可以以ATP依赖方式在线性DNA重复区形成十字突起,通常十字突起只在超螺旋质粒即闭环区可以看到,说明在线性DNA中SWI/SNF复合体形成一个结构域,在这里DNA通过绕轴旋转不能消除其扭转,从而形成稳定的十字突起.已经发现Swi2/Snf2也可以使DNA产生超螺旋旋转,从而可使核小体DNA移位或扭转(Havas et al.,2000).同时,也发现SF2家族的其他成员也有这种活性,如PcrA 具有独立的ATP依赖的DNA扭转活性和DNA移位活性.这表明Swi2/Snf2蛋白也许就是通过这两种方式来调节组蛋白-DNA的相互作用(Joseph and Fred,2003).另外,RSC的类似物Sth1也具有移位酶活性,而且已经有人报道Sth1可以作为一个移位酶起作用(Saha et al.,2002).
核小体滑动指完整的核小体八聚体在DNA上顺式(自身DNA上)移动,而不包括被竞争性DNA反式取代.经典的滑动模型的机制会导致在同一方向上同样数量的DNA入、出口的移动.产生如此的移动,可能涉及双链DNA在入口扭曲进去核小体,伴随着螺旋通过核小体传递到出口.所以,滑动并不会增加暴露DNA的数量,只是简单的改变暴露DNA的数量,导致一个被重新转移定位的八聚体的形成,而原先和组蛋白作用的DNA成为无核小体状态.Gavin等认为SWI/SNF复合体可促进组蛋白八聚体的转移,并能形成稳定的重塑二核小体结构,而这些作用都能通过高能量的中间体来发生(Schnitzler,2001).SWI/SNF复合体除通过滑动机制来完成重塑外,还有能力引起构象改变.通过改变DNA,核小体两者的构象而使核小体DNA暴露在组蛋白八聚体表面,引起重塑(Guyoun et al.,2001).目前比较统一的观点认为,SWI/SNF类主要都是引起核小体在DNA上滑动,一旦滑动受阻SWI/SNF复合体会使核小体组蛋白反式移位.
由于核小体发生了上述重塑,使得各种染色质重塑ATP酶征集到特异DNA位点如启动子上,与DNA结合蛋白如转录因子发生直接相互作用,激活基因转录过程.此外,在核心组蛋白氨基末端,组蛋白乙酰化通常和基因表达活化有关,而组蛋白乙酰化,在基因抑制中发挥作用.研究发现,依赖ATP的染色质重塑复合体可以与组蛋白修饰酶发生协同作用。 很多证据显示SWI/SNF复合体和组蛋白乙酰基转移酶存在功能上的联系。在SWI/SNF复合体介导的染色质重塑过程中，也许需要组蛋白的乙酰化（Huang et al。，2003）。在转录激活过程中,一些酵母的启动子需要SWI/SNF复合体和HAT Gcn5的协同作用;SWI/SNF复合体比Gcn5优先结合到启动子上,其活性影响Gcn5对组蛋白的乙酰化作用,在转录因子结合后的过程中两者的活性都是必需的(Kingston,1999).
(3).SWI/SNF与NR介导的染色质重塑
激素可以结合核受体(nuclear receptor,NR)而激活或抑制基因的转录,这为我们提供了很好的研究特定靶基因转录调控的平台.P160 coactivator是可以通过核受体上的AF2的相互作用,而提供一个招募组蛋白修饰酶的平台,其中包括CBP1P300和甲基转移酶(methyltransferase),从而修饰组蛋白来调节基因转录.类似的还有NCoR、SMRT、RIP140和LCoR(Borja and Malcolm，2003)。
早在1992年，Yoshinaga等就发现ATP依赖的染色质重塑与类固醇类受体有关（Yoshinaga et al。，1992）。SWI/SNF类和ISWI类都可以引起核小体在DNA上的滑动，尽管它们的生物学功能有所差异。SWI/SNF可引起DNA在核小体表面上的构象改变，从而影响基因的转录。SWI/SNF也可和NR作用而影响基因转录，如糖皮质激素受体可以与SWI/SNF的特有亚单位BAF250相互作用而参与染色质重塑（Nie et al。，2000）。雌激素受体可以和另一个亚单位BAF57相互作用（Belandia et al。，2002）。Wong等发现在P160只招募CBP/p300的情况下，并不能引起染色质重塑，只有在同时招募SWI/SNF时，才可以引起染色质重塑。因此，不仅NR与coactivators的相互作用很重要，coactivators之间的相互作用也不能忽视(Borja and Malcolm，2003)。
WINAC复合体属于SWI/SNF亚类，它不但参与基因转录，而且在DNA复制、DNA修复和重组中发挥重要的作用。它和所有SWI/SNF类一样含有BRG1或hBRM ATP酶亚基，而且含有其他亚基如参与复制的TOPOIIβ和CAF-1P150亚基以及参与转录延伸的FACTP140亚基。另外，WINAC还包含Williams综合症的转录产物WSTF(Williams transcription factor)，WSTF和hISWI组成ATP依赖的染色质重塑复合物WICH(Bozhenok et al。，2002)。WICH可以组装和解组装核小体。WSTF可以直接和VDR(Vitamin D Receptor)作用，其可能机制：当相应配体与VDR结合后，WINAC通过WSTF与激活后的VDR结合，同时还有一些其他调节因子结合在VDR上，之后，VDR结合于相应的靶基因，而导致靶基因的抑制或激活（(Borja and Malcolm，2003)。
（4）展望
随着人们对依赖ATP的染色质重塑复合体的深入研究，新的复合体不断出现，但是重塑的机制仍未完全搞清。不同类型的重塑复合体可能采取不同的方式完成染色质重塑。细胞中究竟时什么样的机制决定这些不同复合体中哪一个增加核小体DNA的可接近性？不同亚基究竟起什么作用？染色质重塑复合体对给定的基因的调节程度有多大？这些问题都有待于进一步的解决。此外，越来越多的研究表明，依赖ATP的染色质重塑复合体和肿瘤的形成发展有关（Roberts et al。，2002）。因此，对染色质重塑复合体及其作用机制的研究对揭示基因转录的调控、基因表达的抑制、DNA重组、复制和损伤修复以及肿瘤等一些疾病的发生发展都有及其重要的意义。
