1).定義

染色質(zhì)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(zhì)緊密的超螺旋結(jié)構(gòu)限制了轉(zhuǎn)錄因子對(duì)DNA的接近與結(jié)合,從而抑制了真核細(xì)胞基因的轉(zhuǎn)錄過(guò)程.基因活化和轉(zhuǎn)錄需要染色質(zhì)發(fā)生一系列重要的變化,如染色質(zhì)去凝集,核小體變成開(kāi)放式的疏松結(jié)構(gòu),使轉(zhuǎn)錄因子等更易接近并結(jié)合核小體DNA,染色質(zhì)這種結(jié)構(gòu)的變化即染色質(zhì)重塑(chromatin remodeling).染色質(zhì)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(gòu)象發(fā)生局部改變;另一種是共價(jià)化學(xué)修飾:多發(fā)生在組蛋白末端尾巴,包括乙酰化,、磷酸化,、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(zhuǎn)錄和其他染色質(zhì)調(diào)控的過(guò)程（Jenuwein and Allis,，2001）。

    染色質(zhì)的物理修飾主要是通過(guò)依賴ATP的染色質(zhì)重塑復(fù)合體來(lái)完成的.這些復(fù)合體是一種以ATP 酶為催化中心的多種蛋白亞基復(fù)合體,它利用ATP水解的能量來(lái)增加核小體DNA的可接近性,可以移動(dòng)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(gòu)象,從而對(duì)基因轉(zhuǎn)錄進(jìn)行調(diào)控.到目前為止,依賴ATP的染色質(zhì)重塑復(fù)合體的ATP酶亞基的ATP酶結(jié)構(gòu)域具有同源性,此外還分別含有其他不同的結(jié)構(gòu)域,從而分為3類:SWI/SNF類;ISWI類;Mi-2類(Sundarsananm et al.,2000;Lanst et al.,2001).見(jiàn)下圖.

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

(2).SWI/SNF類介導(dǎo)染色質(zhì)重塑的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制

酵母ySWI/SNF是第一個(gè)被確認(rèn)的ATP依賴的重塑復(fù)合體,Snf2p是ySWI/SNF的最大亞基,具有ATP酶活性.在這里,我通過(guò)SWI/SNF類來(lái)介紹一下染色質(zhì)重塑的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程.

   大多的研究集中于染色質(zhì)重塑復(fù)合物對(duì)轉(zhuǎn)錄的調(diào)控,而實(shí)際上染色質(zhì)重塑復(fù)合物還參與了DNA復(fù)制,、修復(fù)以及重組等過(guò)程.

a.       SWI/SNF類各亞基的功能

SWI/SNF復(fù)合體由九個(gè)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(xiàn)Swi3/BAF155/BAF170和Snf5/Ini1,可在體內(nèi)刺激hBRG1的染色質(zhì)重塑活性(Phelan et al.,1999).現(xiàn)在對(duì)SWI/SNF各亞基的功能所知有限.

   通過(guò)DNA結(jié)合的激動(dòng)子(activators)或抑制子(repressors),把SWI/SNF復(fù)合體招募至啟動(dòng)子.這可能也與SWI/SNF復(fù)合體的特異選擇有關(guān).例如,體外試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在人體內(nèi),只有Swi/Snf-B可被核受體激活,而Swi/Snf-A就不能(Lemon et al.,2001).當(dāng)然,也可能SWI/SNF的招募不完全由調(diào)節(jié)因子來(lái)控制.最近研究發(fā)現(xiàn)只有在人類α1抗胰島素起始復(fù)合物(antitrypsin preinitiation complex)完整組裝后才能被招募至α1抗胰島素啟動(dòng)子(Soutoglou and Talianidis,2002).

   我們知道,所有的Swi2/Snf2 ATPases都包含有一個(gè)bromodomain,這個(gè)結(jié)構(gòu)域在體外試驗(yàn)中可以結(jié)合組蛋白N末端尾巴的乙?；嚢彼釟埢?但是它在體內(nèi)如何起的作用目前還不很清楚.但體外試驗(yàn)已證明對(duì)Swi/Snf和染色質(zhì)的相互作用,這個(gè)結(jié)構(gòu)域是必須的.在試驗(yàn)中Swi/Snf被招募并穩(wěn)定結(jié)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(xiàn)在Swi/Snf結(jié)合于SUC2啟動(dòng)子時(shí),bromodomain也是必須的(Joseph and Fred,2003).

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

b.       SWI/SNF復(fù)合體的抑制轉(zhuǎn)錄功能

SWI/SNF復(fù)合體激活基因轉(zhuǎn)錄的功能已經(jīng)被肯定,一些證據(jù)顯示它同時(shí)還具有抑制基因轉(zhuǎn)錄的功能.研究發(fā)現(xiàn)抑制素(prohibitin)就是通過(guò)招募至SWI/SNF至E2F依賴啟動(dòng)子而抑制E2F的轉(zhuǎn)錄(Wang et al.,2002),另一個(gè)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(jīng)基因并直接于DNA結(jié)合抑制子REST作用而抑制基因轉(zhuǎn)錄(Belanclia et al.,2002).最近發(fā)現(xiàn)SNR1(SNF5-related-1),一個(gè)Brahma復(fù)合體中高度保守的亞單位在HDAC(histone deacetylase)等參與下介導(dǎo)基因抑制作用(Marenda et al.,2004).

RSC復(fù)合體最初是在出芽酵母(S.Cerevisiae)中鑒定出來(lái)的,含有15個(gè)亞基,其中至少有2個(gè)亞基與ySWI/SNF的亞基相同.RSC復(fù)合體的生物化學(xué)特性與ySWI/SNF相似.研究發(fā)現(xiàn)RSC也同時(shí)有激活或抑制基因轉(zhuǎn)錄的功能.

為什么SWI/SNF激活一些啟動(dòng)子而抑制另一些啟動(dòng)子?最可能的原因就是體內(nèi)存在不同形式SWI/SNF復(fù)合體從而發(fā)揮不同作用.目前抑制基因轉(zhuǎn)錄的機(jī)制還不清楚,可能和HDAC或染色質(zhì)重塑有關(guān).已經(jīng)發(fā)現(xiàn)SWI/SNF復(fù)合體發(fā)揮抑制作用時(shí)需要的亞單位與發(fā)揮激活作用時(shí)有所不同.

c.    SWI/SNF類介導(dǎo)的染色質(zhì)重塑機(jī)理

a).重塑復(fù)合體與染色質(zhì)的結(jié)合

在激活或抑制基因轉(zhuǎn)錄前,重塑復(fù)合體首先需要識(shí)別和結(jié)合核小體,SWI/SNF及相關(guān)的RSC復(fù)合體與核小體有高度親和性.SWI/SNF復(fù)合體上了有DNA結(jié)合模體,可以非特異性與一些特殊空間結(jié)構(gòu)的DNA,特別是與十字形DNA的結(jié)合.SWI/SNF能夠以很低的親和力與DNA-核小體結(jié)合,并利用其水解ATP產(chǎn)生的能量或減弱核小體中DNA-組蛋白的結(jié)合.這時(shí),盡管核小體的整體結(jié)構(gòu)只發(fā)生了極微小的變化,但卻使核小體部位的DNA同轉(zhuǎn)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(fù)合體可以破壞核小體核心顆粒上DNA的旋轉(zhuǎn)相,進(jìn)而激活轉(zhuǎn)錄因子和核小體的結(jié)合.hBRG1和hBRM在無(wú)其他亞基的情況下也可以重塑核小體,但另外3個(gè)亞基INII,BAF155及BAF170的存在對(duì)核小體的重塑效率更高.當(dāng)核小體解離時(shí),組蛋白與DNA的相互作用被降低或穩(wěn)定性下降,而致轉(zhuǎn)錄因子對(duì)DNA的親和性增加.SWI/SNF或RSC復(fù)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(jiàn)這些復(fù)合體能催化這2種核小體構(gòu)象之間的相互轉(zhuǎn)變.

c).重塑機(jī)制

     SWI/SNF復(fù)合體介導(dǎo)的染色質(zhì)重塑可能涉及的機(jī)制有:核小體滑動(dòng)(nuclesome sliding),、雙核小體的形成(dinucleosome formation),、核小體結(jié)構(gòu)的改變以及八聚體的移位.現(xiàn)在仍不清楚染色質(zhì)重塑過(guò)程涉及哪一個(gè)或幾個(gè)重塑機(jī)制.最近的研究多集中在八聚體滑動(dòng)、DNA扭轉(zhuǎn)(twisting)和DNA移位(Joseph and Fred,2003).

    依賴ATP的染色質(zhì)重塑復(fù)合體都含有一個(gè)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(jié)合力.

    Swi2和Snf2蛋白雖沒(méi)有解旋酶活性,卻屬于DNA解旋酶SF2家族.而純化的SWI/SNF復(fù)合體可以以ATP依賴方式在線性DNA重復(fù)區(qū)形成十字突起,通常十字突起只在超螺旋質(zhì)粒即閉環(huán)區(qū)可以看到,說(shuō)明在線性DNA中SWI/SNF復(fù)合體形成一個(gè)結(jié)構(gòu)域,在這里DNA通過(guò)繞軸旋轉(zhuǎn)不能消除其扭轉(zhuǎn),從而形成穩(wěn)定的十字突起.已經(jīng)發(fā)現(xiàn)Swi2/Snf2也可以使DNA產(chǎn)生超螺旋旋轉(zhuǎn),從而可使核小體DNA移位或扭轉(zhuǎn)(Havas et al.,2000).同時(shí),也發(fā)現(xiàn)SF2家族的其他成員也有這種活性,如PcrA 具有獨(dú)立的ATP依賴的DNA扭轉(zhuǎn)活性和DNA移位活性.這表明Swi2/Snf2蛋白也許就是通過(guò)這兩種方式來(lái)調(diào)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(jīng)有人報(bào)道Sth1可以作為一個(gè)移位酶起作用(Saha et al.,2002).

   核小體滑動(dòng)指完整的核小體八聚體在DNA上順式(自身DNA上)移動(dòng),而不包括被競(jìng)爭(zhēng)性DNA反式取代.經(jīng)典的滑動(dòng)模型的機(jī)制會(huì)導(dǎo)致在同一方向上同樣數(shù)量的DNA入,、出口的移動(dòng).產(chǎn)生如此的移動(dòng),可能涉及雙鏈DNA在入口扭曲進(jìn)去核小體,伴隨著螺旋通過(guò)核小體傳遞到出口.所以,滑動(dòng)并不會(huì)增加暴露DNA的數(shù)量,只是簡(jiǎn)單的改變暴露DNA的數(shù)量,導(dǎo)致一個(gè)被重新轉(zhuǎn)移定位的八聚體的形成,而原先和組蛋白作用的DNA成為無(wú)核小體狀態(tài).Gavin等認(rèn)為SWI/SNF復(fù)合體可促進(jìn)組蛋白八聚體的轉(zhuǎn)移,并能形成穩(wěn)定的重塑二核小體結(jié)構(gòu),而這些作用都能通過(guò)高能量的中間體來(lái)發(fā)生(Schnitzler,2001).SWI/SNF復(fù)合體除通過(guò)滑動(dòng)機(jī)制來(lái)完成重塑外,還有能力引起構(gòu)象改變.通過(guò)改變DNA,核小體兩者的構(gòu)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(diǎn)認(rèn)為,SWI/SNF類主要都是引起核小體在DNA上滑動(dòng),一旦滑動(dòng)受阻SWI/SNF復(fù)合體會(huì)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(zhì)重塑ATP酶征集到特異DNA位點(diǎn)如啟動(dòng)子上,與DNA結(jié)合蛋白如轉(zhuǎn)錄因子發(fā)生直接相互作用,激活基因轉(zhuǎn)錄過(guò)程.此外,在核心組蛋白氨基末端,組蛋白乙?；ǔ：突虮磉_(dá)活化有關(guān),而組蛋白乙酰化,在基因抑制中發(fā)揮作用.研究發(fā)現(xiàn),依賴ATP的染色質(zhì)重塑復(fù)合體可以與組蛋白修飾酶發(fā)生協(xié)同作用,。 很多證據(jù)顯示SWI/SNF復(fù)合體和組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶存在功能上的聯(lián)系。在SWI/SNF復(fù)合體介導(dǎo)的染色質(zhì)重塑過(guò)程中,，也許需要組蛋白的乙?；℉uang et al。,，2003）,。在轉(zhuǎn)錄激活過(guò)程中,一些酵母的啟動(dòng)子需要SWI/SNF復(fù)合體和HAT Gcn5的協(xié)同作用;SWI/SNF復(fù)合體比Gcn5優(yōu)先結(jié)合到啟動(dòng)子上,其活性影響Gcn5對(duì)組蛋白的乙酰化作用,在轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合后的過(guò)程中兩者的活性都是必需的(Kingston,1999).

(3).SWI/SNF與NR介導(dǎo)的染色質(zhì)重塑

    激素可以結(jié)合核受體(nuclear receptor,NR)而激活或抑制基因的轉(zhuǎn)錄,這為我們提供了很好的研究特定靶基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的平臺(tái).P160 coactivator是可以通過(guò)核受體上的AF2的相互作用,而提供一個(gè)招募組蛋白修飾酶的平臺(tái),其中包括CBP1P300和甲基轉(zhuǎn)移酶(methyltransferase),從而修飾組蛋白來(lái)調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)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(xiàn)ATP依賴的染色質(zhì)重塑與類固醇類受體有關(guān)（Yoshinaga et al。,，1992）,。SWI/SNF類和ISWI類都可以引起核小體在DNA上的滑動(dòng)，盡管它們的生物學(xué)功能有所差異,。SWI/SNF可引起DNA在核小體表面上的構(gòu)象改變,，從而影響基因的轉(zhuǎn)錄。SWI/SNF也可和NR作用而影響基因轉(zhuǎn)錄,，如糖皮質(zhì)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(zhì)重塑（Nie et al,。,，2000）。雌激素受體可以和另一個(gè)亞單位BAF57相互作用（Belandia et al,。,，2002）。Wong等發(fā)現(xiàn)在P160只招募CBP/p300的情況下,，并不能引起染色質(zhì)重塑,，只有在同時(shí)招募SWI/SNF時(shí)，才可以引起染色質(zhì)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(fù)合體屬于SWI/SNF亞類，它不但參與基因轉(zhuǎn)錄,，而且在DNA復(fù)制,、DNA修復(fù)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(fù)制的TOPOIIβ和CAF-1P150亞基以及參與轉(zhuǎn)錄延伸的FACTP140亞基。另外,，WINAC還包含Williams綜合癥的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物WSTF(Williams transcription factor),，WSTF和hISWI組成ATP依賴的染色質(zhì)重塑復(fù)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(jī)制：當(dāng)相應(yīng)配體與VDR結(jié)合后,，WINAC通過(guò)WSTF與激活后的VDR結(jié)合，同時(shí)還有一些其他調(diào)節(jié)因子結(jié)合在VDR上,，之后,，VDR結(jié)合于相應(yīng)的靶基因，而導(dǎo)致靶基因的抑制或激活（(Borja and Malcolm,，2003),。

（4）展望

   隨著人們對(duì)依賴ATP的染色質(zhì)重塑復(fù)合體的深入研究，新的復(fù)合體不斷出現(xiàn),，但是重塑的機(jī)制仍未完全搞清,。不同類型的重塑復(fù)合體可能采取不同的方式完成染色質(zhì)重塑。細(xì)胞中究竟時(shí)什么樣的機(jī)制決定這些不同復(fù)合體中哪一個(gè)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(zhì)重塑復(fù)合體對(duì)給定的基因的調(diào)節(jié)程度有多大,？這些問(wèn)題都有待于進(jìn)一步的解決。此外,，越來(lái)越多的研究表明,，依賴ATP的染色質(zhì)重塑復(fù)合體和腫瘤的形成發(fā)展有關(guān)（Roberts et al。,，2002）,。因此，對(duì)染色質(zhì)重塑復(fù)合體及其作用機(jī)制的研究對(duì)揭示基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控,、基因表達(dá)的抑制,、DNA重組、復(fù)制和損傷修復(fù)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,。