1).定義

染色質是由DNA雙螺旋分子纏繞組蛋白八聚體(H2A、H2B,、H3和H4各2分子)形成核小體,再由核小體高度有序的排列而成.染色質緊密的超螺旋結構限制了轉錄因子對DNA的接近與結合,從而抑制了真核細胞基因的轉錄過程.基因活化和轉錄需要染色質發(fā)生一系列重要的變化,如染色質去凝集,核小體變成開放式的疏松結構,使轉錄因子等更易接近并結合核小體DNA,染色質這種結構的變化即染色質重塑(chromatin remodeling).染色質重塑主要有兩種類型:一種是依賴ATP的物理修飾:ATP水解釋放的能量使組蛋白和DNA的構象發(fā)生局部改變;另一種是共價化學修飾:多發(fā)生在組蛋白末端尾巴,包括乙?；⒘姿峄?、甲基化和泛素化等,，這些修飾即“組蛋白密碼”，它控制著基因轉錄和其他染色質調控的過程（Jenuwein and Allis,，2001）。

    染色質的物理修飾主要是通過依賴ATP的染色質重塑復合體來完成的.這些復合體是一種以ATP 酶為催化中心的多種蛋白亞基復合體,它利用ATP水解的能量來增加核小體DNA的可接近性,可以移動核小體的位置使DNA序列暴露或被掩蓋,它還能在DNA靠近組蛋白八聚體的表面建立特殊的構象,從而對基因轉錄進行調控.到目前為止,依賴ATP的染色質重塑復合體的ATP酶亞基的ATP酶結構域具有同源性,此外還分別含有其他不同的結構域,從而分為3類:SWI/SNF類;ISWI類;Mi-2類(Sundarsananm et al.,2000;Lanst et al.,2001).見下圖.

種類
 SWI/SNF類
 ISWI類
 Mi2類
 
特有結構域
 Bromo域
 SANT域
 Chromo域
 
酵母
 ySWI/SNF;yRSC
 yISW1;yISW2
 無
 
果蠅
 Brahma復合體
 ACF;NURF;CHRAC
 Mi-2
 
人類
 hBRM和hBRG1復合體
 RSF
 NURD(或者NRD)
 

(2).SWI/SNF類介導染色質重塑的信號轉導機制

酵母ySWI/SNF是第一個被確認的ATP依賴的重塑復合體,Snf2p是ySWI/SNF的最大亞基,具有ATP酶活性.在這里,我通過SWI/SNF類來介紹一下染色質重塑的信號轉導過程.

   大多的研究集中于染色質重塑復合物對轉錄的調控,而實際上染色質重塑復合物還參與了DNA復制,、修復以及重組等過程.

a.       SWI/SNF類各亞基的功能

SWI/SNF復合體由九個或更多的亞基組成,其中包括保守的ATP酶亞基和其他非保守亞基

研究發(fā)現Swi3/BAF155/BAF170和Snf5/Ini1,可在體內刺激hBRG1的染色質重塑活性(Phelan et al.,1999).現在對SWI/SNF各亞基的功能所知有限.

   通過DNA結合的激動子(activators)或抑制子(repressors),把SWI/SNF復合體招募至啟動子.這可能也與SWI/SNF復合體的特異選擇有關.例如,體外試驗發(fā)現在人體內,只有Swi/Snf-B可被核受體激活,而Swi/Snf-A就不能(Lemon et al.,2001).當然,也可能SWI/SNF的招募不完全由調節(jié)因子來控制.最近研究發(fā)現只有在人類α1抗胰島素起始復合物(antitrypsin preinitiation complex)完整組裝后才能被招募至α1抗胰島素啟動子(Soutoglou and Talianidis,2002).

   我們知道,所有的Swi2/Snf2 ATPases都包含有一個bromodomain,這個結構域在體外試驗中可以結合組蛋白N末端尾巴的乙?；嚢彼釟埢?但是它在體內如何起的作用目前還不很清楚.但體外試驗已證明對Swi/Snf和染色質的相互作用,這個結構域是必須的.在試驗中Swi/Snf被招募并穩(wěn)定結合于核小體模板上,其中乙酰化組蛋白和Swi2/Snf2bromodomain都是必須的.另外,還發(fā)現在Swi/Snf結合于SUC2啟動子時,bromodomain也是必須的(Joseph and Fred,2003).

   在SWI/SNF復合體上存在兩個重要的DNA結合模體(DNA-binding motif):HMG domain和SANT domain.研究發(fā)現BAP111(dBrahma的亞基)和BAF57(hBRG 的亞基)分別含有一個HMG(high mobility group)結構域.體外試驗發(fā)現在果蠅中,缺少HMG模體的BAP111是沒有功能的(Papoulas et al.,2001).通過對人T細胞的研究發(fā)現,缺少HMG模體的BAF57也喪失了基因調控作用(Chi et al.,2002).Swi3和Rsc8包含SANT結構域,該結構域是c-myb的類似物.雖然最大的可能是SNAT在SWI/SNF和DNA結合中起作用,但是也不能否認可能在SWI/SNF復合體的招募和復合體的催化過程中起作用.除了HMG和SANT結構域外,還在hBRM中發(fā)現的A/T hook motif也可能有DNA結合作用(BourachotB et al.,1999),以及在Swi9,Rsc9,和Baf250中發(fā)現ARID(AT-rich interaction domain)(Wilsker et al.,2002),Wilsker等最近通過對人類P70和酵母SWII中的ARID的比較,發(fā)現了ARID和DNA結合沒有特異性,并排除了ARID招募復合體至特異啟動子的可能性(Wilsker et al.,2004).

b.       SWI/SNF復合體的抑制轉錄功能

SWI/SNF復合體激活基因轉錄的功能已經被肯定,一些證據顯示它同時還具有抑制基因轉錄的功能.研究發(fā)現抑制素(prohibitin)就是通過招募至SWI/SNF至E2F依賴啟動子而抑制E2F的轉錄(Wang et al.,2002),另一個腫瘤抑制因子Rb（retinoblastoma）也有類似作用SWI/SNF還可被CoREST corepressor招募至神經基因并直接于DNA結合抑制子REST作用而抑制基因轉錄(Belanclia et al.,2002).最近發(fā)現SNR1(SNF5-related-1),一個Brahma復合體中高度保守的亞單位在HDAC(histone deacetylase)等參與下介導基因抑制作用(Marenda et al.,2004).

RSC復合體最初是在出芽酵母(S.Cerevisiae)中鑒定出來的,含有15個亞基,其中至少有2個亞基與ySWI/SNF的亞基相同.RSC復合體的生物化學特性與ySWI/SNF相似.研究發(fā)現RSC也同時有激活或抑制基因轉錄的功能.

為什么SWI/SNF激活一些啟動子而抑制另一些啟動子?最可能的原因就是體內存在不同形式SWI/SNF復合體從而發(fā)揮不同作用.目前抑制基因轉錄的機制還不清楚,可能和HDAC或染色質重塑有關.已經發(fā)現SWI/SNF復合體發(fā)揮抑制作用時需要的亞單位與發(fā)揮激活作用時有所不同.

c.    SWI/SNF類介導的染色質重塑機理

a).重塑復合體與染色質的結合

在激活或抑制基因轉錄前,重塑復合體首先需要識別和結合核小體,SWI/SNF及相關的RSC復合體與核小體有高度親和性.SWI/SNF復合體上了有DNA結合模體,可以非特異性與一些特殊空間結構的DNA,特別是與十字形DNA的結合.SWI/SNF能夠以很低的親和力與DNA-核小體結合,并利用其水解ATP產生的能量或減弱核小體中DNA-組蛋白的結合.這時,盡管核小體的整體結構只發(fā)生了極微小的變化,但卻使核小體部位的DNA同轉錄因子的親和力增加了30倍以上.

b).依賴ATP的核小體解離

SWI/SNF和RSC復合體可以破壞核小體核心顆粒上DNA的旋轉相,進而激活轉錄因子和核小體的結合.hBRG1和hBRM在無其他亞基的情況下也可以重塑核小體,但另外3個亞基INII,BAF155及BAF170的存在對核小體的重塑效率更高.當核小體解離時,組蛋白與DNA的相互作用被降低或穩(wěn)定性下降,而致轉錄因子對DNA的親和性增加.SWI/SNF或RSC復合體不但能夠引起核小體的解離,而且能夠加速解離的核小體回到原始狀態(tài),可見這些復合體能催化這2種核小體構象之間的相互轉變.

c).重塑機制

     SWI/SNF復合體介導的染色質重塑可能涉及的機制有:核小體滑動(nuclesome sliding),、雙核小體的形成(dinucleosome formation),、核小體結構的改變以及八聚體的移位.現在仍不清楚染色質重塑過程涉及哪一個或幾個重塑機制.最近的研究多集中在八聚體滑動、DNA扭轉(twisting)和DNA移位(Joseph and Fred,2003).

    依賴ATP的染色質重塑復合體都含有一個具有DNA激活的ATP酶活性部位,即ATP酶亞基,其核心功能使水解ATP并利用ATP水解釋放的能量去減弱核小體中DNA-組蛋白的結合力.

    Swi2和Snf2蛋白雖沒有解旋酶活性,卻屬于DNA解旋酶SF2家族.而純化的SWI/SNF復合體可以以ATP依賴方式在線性DNA重復區(qū)形成十字突起,通常十字突起只在超螺旋質粒即閉環(huán)區(qū)可以看到,說明在線性DNA中SWI/SNF復合體形成一個結構域,在這里DNA通過繞軸旋轉不能消除其扭轉,從而形成穩(wěn)定的十字突起.已經發(fā)現Swi2/Snf2也可以使DNA產生超螺旋旋轉,從而可使核小體DNA移位或扭轉(Havas et al.,2000).同時,也發(fā)現SF2家族的其他成員也有這種活性,如PcrA 具有獨立的ATP依賴的DNA扭轉活性和DNA移位活性.這表明Swi2/Snf2蛋白也許就是通過這兩種方式來調節(jié)組蛋白-DNA的相互作用(Joseph and Fred,2003).另外,RSC的類似物Sth1也具有移位酶活性,而且已經有人報道Sth1可以作為一個移位酶起作用(Saha et al.,2002).

   核小體滑動指完整的核小體八聚體在DNA上順式(自身DNA上)移動,而不包括被競爭性DNA反式取代.經典的滑動模型的機制會導致在同一方向上同樣數量的DNA入,、出口的移動.產生如此的移動,可能涉及雙鏈DNA在入口扭曲進去核小體,伴隨著螺旋通過核小體傳遞到出口.所以,滑動并不會增加暴露DNA的數量,只是簡單的改變暴露DNA的數量,導致一個被重新轉移定位的八聚體的形成,而原先和組蛋白作用的DNA成為無核小體狀態(tài).Gavin等認為SWI/SNF復合體可促進組蛋白八聚體的轉移,并能形成穩(wěn)定的重塑二核小體結構,而這些作用都能通過高能量的中間體來發(fā)生(Schnitzler,2001).SWI/SNF復合體除通過滑動機制來完成重塑外,還有能力引起構象改變.通過改變DNA,核小體兩者的構象而使核小體DNA暴露在組蛋白八聚體表面,引起重塑(Guyoun et al.,2001).目前比較統(tǒng)一的觀點認為,SWI/SNF類主要都是引起核小體在DNA上滑動,一旦滑動受阻SWI/SNF復合體會使核小體組蛋白反式移位.

    由于核小體發(fā)生了上述重塑,使得各種染色質重塑ATP酶征集到特異DNA位點如啟動子上,與DNA結合蛋白如轉錄因子發(fā)生直接相互作用,激活基因轉錄過程.此外,在核心組蛋白氨基末端,組蛋白乙?；ǔ：突虮磉_活化有關,而組蛋白乙酰化,在基因抑制中發(fā)揮作用.研究發(fā)現,依賴ATP的染色質重塑復合體可以與組蛋白修飾酶發(fā)生協(xié)同作用,。 很多證據顯示SWI/SNF復合體和組蛋白乙?；D移酶存在功能上的聯(lián)系。在SWI/SNF復合體介導的染色質重塑過程中,，也許需要組蛋白的乙?；℉uang et al。,，2003）,。在轉錄激活過程中,一些酵母的啟動子需要SWI/SNF復合體和HAT Gcn5的協(xié)同作用;SWI/SNF復合體比Gcn5優(yōu)先結合到啟動子上,其活性影響Gcn5對組蛋白的乙酰化作用,在轉錄因子結合后的過程中兩者的活性都是必需的(Kingston,1999).

(3).SWI/SNF與NR介導的染色質重塑

    激素可以結合核受體(nuclear receptor,NR)而激活或抑制基因的轉錄,這為我們提供了很好的研究特定靶基因轉錄調控的平臺.P160 coactivator是可以通過核受體上的AF2的相互作用,而提供一個招募組蛋白修飾酶的平臺,其中包括CBP1P300和甲基轉移酶(methyltransferase),從而修飾組蛋白來調節(jié)基因轉錄.類似的還有NCoR,、SMRT,、RIP140和LCoR(Borja and Malcolm，2003),。

    早在1992年,，Yoshinaga等就發(fā)現ATP依賴的染色質重塑與類固醇類受體有關（Yoshinaga et al。,，1992）,。SWI/SNF類和ISWI類都可以引起核小體在DNA上的滑動，盡管它們的生物學功能有所差異,。SWI/SNF可引起DNA在核小體表面上的構象改變,，從而影響基因的轉錄。SWI/SNF也可和NR作用而影響基因轉錄，如糖皮質激素受體可以與SWI/SNF的特有亞單位BAF250相互作用而參與染色質重塑（Nie et al,。,，2000）。雌激素受體可以和另一個亞單位BAF57相互作用（Belandia et al,。,，2002）。Wong等發(fā)現在P160只招募CBP/p300的情況下,，并不能引起染色質重塑,，只有在同時招募SWI/SNF時，才可以引起染色質重塑,。因此,，不僅NR與coactivators的相互作用很重要，coactivators之間的相互作用也不能忽視(Borja and Malcolm,，2003),。

   WINAC復合體屬于SWI/SNF亞類，它不但參與基因轉錄,，而且在DNA復制,、DNA修復和重組中發(fā)揮重要的作用。它和所有SWI/SNF類一樣含有BRG1或hBRM ATP酶亞基,，而且含有其他亞基如參與復制的TOPOIIβ和CAF-1P150亞基以及參與轉錄延伸的FACTP140亞基,。另外，WINAC還包含Williams綜合癥的轉錄產物WSTF(Williams transcription factor),，WSTF和hISWI組成ATP依賴的染色質重塑復合物WICH(Bozhenok et al,。，2002),。WICH可以組裝和解組裝核小體,。WSTF可以直接和VDR(Vitamin D Receptor)作用，其可能機制：當相應配體與VDR結合后,，WINAC通過WSTF與激活后的VDR結合,，同時還有一些其他調節(jié)因子結合在VDR上，之后,，VDR結合于相應的靶基因,，而導致靶基因的抑制或激活（(Borja and Malcolm，2003),。

（4）展望

   隨著人們對依賴ATP的染色質重塑復合體的深入研究,，新的復合體不斷出現，但是重塑的機制仍未完全搞清,。不同類型的重塑復合體可能采取不同的方式完成染色質重塑,。細胞中究竟時什么樣的機制決定這些不同復合體中哪一個增加核小體DNA的可接近性,？不同亞基究竟起什么作用？染色質重塑復合體對給定的基因的調節(jié)程度有多大,？這些問題都有待于進一步的解決,。此外，越來越多的研究表明,，依賴ATP的染色質重塑復合體和腫瘤的形成發(fā)展有關（Roberts et al,。，2002）,。因此,，對染色質重塑復合體及其作用機制的研究對揭示基因轉錄的調控、基因表達的抑制,、DNA重組,、復制和損傷修復以及腫瘤等一些疾病的發(fā)生發(fā)展都有及其重要的意義。