组蛋白伴侣是在组蛋白的识别、转运、传递、储存等过程中发挥重要作用的一类分子,与组蛋白的功能密切相关,但不同的组蛋白伴侣在结构和功能上均存在较大差异 [6] .常规组蛋白 H3 及其变体 H3.3 的染色体组装过程,可以充分反映组蛋白变体和组蛋白伴侣的密切联系.H3 与 H3.3 仅仅存在 4~5 个氨基酸残基的差异,但是含两种组蛋白的染色质具有不同的高级结构 [7] .除此之外,H3 与 H3.3 序列上的细微差异为组蛋白伴侣的特异识别提供了分子基础,使二者能够通过不同的途径进行染色体组装 [8-9] .在与DNA 复制偶联的组装途径中,组蛋白伴侣 CAF-1识别 H3,并在 DNA 复制产生的子链 DNA 上装配H3 核小体 [10] ;在与非 DNA 复制偶联的组装途径中,组蛋白伴侣 HIRA、DAXX、DEK 识别组蛋白变体 H3.3 并生成 H3.3 核小体 [11] .该研究结果充分表明组蛋白变体和组蛋白伴侣的协同对于染色质组装具有重要作用.组蛋白变体 H2A.Z 和 CENP-A分别是组蛋白 H2A 和 H3 家族的代表性成员,本文将着重讨论 H2A.Z 和 CENP-A 的染色质组装机制及其相关功能.3 组蛋白变体 H2A.Z在组成染色质的众多组蛋白当中,H2A 具有最多的变体,这些变体当中 H2A.Z 研究得比较全面.研究表明,H2A.Z 在基因组中呈现高度规律的分布,其染色质定位与其功能密切相关 [12] .首先,H2A.Z 在常染色质上高度富集于基因编码框的 5′端并调控 DNA 转录起始.在酿酒酵母细胞和哺乳动物细胞中,H2A.Z 核小体占据了转录起始位点(transcription start-site,TSS)两侧+1 位(TSS 下游第一个核小体)和-1 位(TSS 上游第一个核小体)的位置,并在转录起始位点附近形成核小体缺失区域.在酿酒酵母与裂殖酵母细胞中,H2A.Z 在 TSS 的富集与低转录基因呈现相关性 [13] ,但在果蝇和哺乳动物细胞中则与高转录基因呈现相关性[14] .Tremethick 团队通过研究证明与转录的增强具有正相关性的实际上是 H2A.Z+1 位核小体中的移除,而不是 H2A.Z 的组装 [15] .除此之外,该研究还提示 H2A.Z 在+1 位核小体的定位导致 TSS 附近核小体缺失区域形成,从而解释了 Pol Ⅱ以及各种转录起始因子为什么能够在 TSS 进行富集 [15] .以上研究说明 H2A.Z 在 TSS 附近的分布对于转录起始具有重要作用.其次,H2A.Z 在染色质上的定位与DNA 甲基化以及组蛋白翻译后修饰密切相关 [16] .H2A.Z 在染色质上的定位与 DNA 甲基化程度为负相关,意味着 DNA 的甲基化对 H2A.Z 的调控有拮抗作用 [17-18] .最后,H2A.Z 的定位与 DNA 损伤修复过程以及异染色体边界决定关系密切,与 H2A.Z参与 DNA 损伤应答和端粒的核膜定位功能不谋而合 [19-21] .上述结果表明,H2A.Z 通过核小体组装富集到基因组的特定区域并改变其染色质结构,进而行使多种生物学功能.4 组蛋白变体 H2A.Z 的染色质组装机制H2A.Z 具有与常规核小体 H2A 截然不同的染色质组装机制(图 1).H2A 通过结合组蛋白伴侣Nap1 和 FACT (facilitates chromatin transcription),以 H2A- H2B 二聚体的形式进行染色质组装或者移除 [22] .尽管体外实验提示 Nap1 和 FACT 可以识别H2A.Z,但是体内实验表明 Nap1 和 FACT 并不能完成 H2A.Z 的核小体组装.2004 年,Wu 等首先在酿酒酵母中发现了染色质重构复合物 SWR1,并证明 SWR1 可以利用水解产生 ATP 的能量移除常规核小体中的 H2A-H2B,同时嵌入常规组蛋白H2A.Z- H2B 以形成含有 H2A.Z 核小体 [23] .SWR1在高等真核生物中的同源复合物 SRCAP 以及 p400也具有催化 H2A.Z 替换核小体中 H2A 的能力,证明 H2A.Z 的组装是一种高度保守的机制[24-25] .H2A.Z-H2B 和含有 H2A 的核小体是催化反应的底物,二者激活并调节 SWR1 复合物的催化反应效率 [26] .结构研究表明,SWR1/SRCAP/P400 复合物是包含多个亚基,分子质量超过 1 Mu 的蛋白质超大复合物 [27] .其中,识别亚基 Swc2/YL1 以及催化亚基Swr1 均可以特异识别 H2A.Z-H2B 二聚体 [28] ,而Swc2/YL1 还负责识别 TSS 附近的核小体缺失区域并将 SWR1 复合物定位到+1 位核小体的位置 [29] .Peterson 团队发现,另外一种 ATP 驱动的染色质重构复合物 INO80 可以特异性地催化 H2A 替换核小体中的 H2A.Z,证明了细胞通过一种双向可逆机制来精确地调控组蛋白 H2A 和 H2A.Z 的交换 [30] .目前也发现多种可以特异识别 H2A.Z-H2B,并协助 SWR1/SRCAP/P400 复合物进行 H2A.Z 交1004 · · 周驹俊, 等:组蛋白变体的染色质组装 2015; 42 (11)5 组蛋白变体 CENP-A 的染色质组装机制除组蛋白变体 H2A.Z 以外,针对组蛋白 H3 变体的家族成员 CENP-A 进行的研究也取得了重要进展(图 2).着丝粒(centromere)特异的 H3 变体CenH3 是组蛋白 H3 家族成员中重要的变体蛋白,哺乳动物来源的 CenH3 称为着丝粒特异蛋白CENP-A.着丝粒处于真核生物染色体的特定位置并具有特殊的 DNA 组成方式,其功能是在细胞分裂过程中控制染色质向子代细胞进行均等分配,以保证每一个子代都含有细胞存活所必需的遗传物质.CenH3 决定着丝粒核小体的正确定位,保证着丝粒正确有序地进行装配和去装配,是正常进行细胞分裂的必需蛋白.与 H3 组蛋白其他家族成员相比,CenH3 的蛋白序列存在明显差异,提示 CenH3 的序列差异与其特殊的生物学功能具有某种联系.CenH3 如何决定着丝粒的定位并维持着丝粒的形成?这些科学问题一直驱动着相关研究的不断深入.研究发现,CENP-A 蛋白序列中一个称为 CATD(CENP-Atargeting domain)的结构域,在很大程度上决定了CENP-A 的 特 殊 功 能[36] .Wu、 Cleveland 和Almouzni 团队分别在酿酒酵母和哺乳动物细胞中发现了 CenH3 特异的组蛋白伴侣 Scm3 和 HJURP,并证明了它们在 CenH3 的着丝粒决定中发挥着不可或缺的作用 [37-39] .由于 Scm3 和 HJURP 的一级序列存在较大差异,它们起初被认为是行使相似功能的两类蛋白质分子,直到后来 Allshire 证明 Scm3和 HJURP 具有高度保守的 CenH3 识别结构域,并推测出二者属于同一个蛋白家族[40] .2011 年,Scm3 和 HJURP 的 CenH3 识别结构域与 CenH3 形成的复合物结构先后获得了解析 [41-42] ,这些结构不换反应的组蛋白伴侣.2007 年在酵母细胞中发现的 Chz1 蛋白被证明是第一个具有特异识别 H2A.Z能力的组蛋白伴侣 [31-32] .高等真核生物所特有的H2A.Z 组蛋白伴侣 Anp32e 具有从染色质上移除H2A.Z 的功能 [33] .此前提到的复合物亚基 Swr1 的功能区域 Swr1-Z 也具有组蛋白伴侣特点 [34] .对上述蛋白质的研究表明,H2A.Z 的 C 端区域是介导各种 H2A.Z 组蛋白伴侣识别的关键 [4, 35] .综上所述,组蛋白伴侣,以及具有组蛋白伴侣功能的染色质重构复合物,在 H2A.Z 的识别、传递以及染色质定位等过程中共同发挥作用,确保了 H2A.Z 在染色质上的正确有序组装.Fig. 1 H2A.Z recognition and chromatin assembly图 1 H2A.Z 的染色质组装及其特异识别染色质重构复合物 SWR1 催化 H2A.Z 的染色质组装并将 H2A.Z 定位到转录起始位点(A),DNA 双链断裂位点(B),以及异染色质临近区域(C).部分异染色质定位与核膜相关.染色质重构复合物 INO80 和组蛋白伴侣 Anp32e 在 H2A.Z 的染色质去组装中发挥作用.转录起始位点(TSS)INO80,Anp32eSWR1DNA 双链断裂(DSB)BCA核膜H2AH2A.ZH2A.Z 核小体常规核小体1005 · · 生物化学与生物物理进展 Prog. Biochem. Biophys. 2015; 42 (11)仅证实了 Scm3 与 HJRUP 属于同一蛋白家族的假说,而且发现了 CenH3 与 H3 序列中对识别起关键作用的差异残基,从而揭示了 Scm3 和 HJRUP 特异识别 CenH3 的分子机理.上述研究表明组蛋白伴侣选择性地识别 CenH3 并将其定位到染色体的特定区域,从而决定了着丝粒的形成 [38] .除此之外,Li 等发现 CENP-A 序列中第 68 位丝氨酸也参与了 HJRUP 的识别 [41] .该丝氨酸周期性的磷酸化与去磷酸化可以调节其 HJURP 对 CENP-A 的识别,进而影响 CENP-A 在着丝粒的组装 [43] .这一结果证明了 CATD 结构域之外的区域也可以参与CENP-A 的识别,并且提示组蛋白的翻译后修饰对组蛋白变体识别具有重要作用.组蛋白变体 CenH3 被募集至着丝粒所在的染色质区域并组装成为核小体之后,着丝粒才能形成.由于酿酒酵母、果蝇、哺乳动物等模式生物的着丝粒结构存在较大差异,利用这些模式生物研究CenH3 核小体所获得的结论不尽相同,人们倾向于认为 CenH3 核小体的结构具有种属特异性,并提出了多个不同结构模型 [44] .为了回答含有 CenH3的着丝粒核小体是否和常规核小体具有完全不同的结构,Kurumizaka 等解析了哺乳动物 CENP-A 核小体的结构,并证实 CENP-A 核小体采取与常规核小体基本一致的方式进行组装,即 CENP-A 代替 H3 组装成八聚体蛋白核心,并被着丝粒特异的DNA 所缠绕 [45] .这一结果提示不同物种来源的CenH3 都可以组装成八聚体核小体,但并不排除CenH3 会形成其他类型的核小体结构.最近,Bai等发现着丝粒特异蛋白 CENP-C 通过其保守的结构域识别八聚体形式的 CENP-A 核小体.对复合物开展的结构研究表明,CENP-C 特异识别 CENP-A的 C 端序列以及 CENP-A 核小体表面由 H2A-H2B形成的酸性区域 [46] .Black 等的研究表明,CENP-C的结合导致八聚体形式的 CENP-A 核小体发生构象变化,使得原本松散的 CENP-A 核小体结构变得较为紧凑,从而维持 CENP-A 核小体在着丝粒处的稳定 [47] .因为高度保守的 CENP-C 是维持着丝粒功能的必需因子,上述结果进一步支持了CENP-A 的八聚体核小体模型.最新研究发现,着丝粒特异蛋白 CENP-N 对 CENP-A 核小体也具有选择性识...