Brg1在細(xì)胞重編程中作用的研究進展

屈 悅 綜述 鄧辰亮 鄭江紅 審校

Brg1在細(xì)胞重編程中作用的研究進展

屈 悅 綜述 鄧辰亮 鄭江紅 審校

Brg1是染色質(zhì)重塑復(fù)合物的重要組成成分，參與染色質(zhì)重塑過程，同時可以大大提高細(xì)胞重編程的效率。本文就Brg1介導(dǎo)的染色質(zhì)重塑復(fù)合物在細(xì)胞增殖和分化過程中的作用進行綜述。

誘導(dǎo)性多潛能干細(xì)胞 Brg1 染色質(zhì)重塑 重編程

然而，重編程為iPS細(xì)胞的效率非常低（＜1%）[4]，成為當(dāng)前研究關(guān)注的熱點。已有一些研究顯示，Brg1參與染色質(zhì)重塑過程，可將細(xì)胞重編程的效率提高至4.5%[5]。鑒于Brg1在細(xì)胞增殖和分化中發(fā)揮的重要作用和現(xiàn)實應(yīng)用意義，本文就Brg1介導(dǎo)的染色質(zhì)重塑復(fù)合物在細(xì)胞增殖和分化過程中作用的研究進展進行綜述。

1 Brg1蛋白結(jié)構(gòu)與功能

Brg1類似物SWI2首次在釀酒的酵母中被發(fā)現(xiàn)[6]，后來在線蟲、果蠅及小鼠等多種生物中也發(fā)現(xiàn)該基因[7]。人類Brgl基因定位于染色體19p上，Brgl基因組共由35個外顯子和34個內(nèi)含子構(gòu)成，基因編碼的蛋白質(zhì)相對分子量為 205 KD。Brgl蛋白由多個在進化上保守的功能結(jié)構(gòu)域組成，主要包括ATP水解酶活性區(qū)域，C端溴基區(qū)域和AT-hook基序，以及N端的QLQ、HSA和BRK結(jié)構(gòu)域[6，8-9]。Brg1的C端溴基區(qū)域參與乙?；嚢彼岷徒M蛋白H3、H4尾部的識別過程，其鄰近的AT-hook基序則輔助DNA綁定或輔助SWI／SNF復(fù)合物募集至組蛋白尾部的去乙?；馁嚢彼嵘蟍10]。谷氨酰胺（QLQ）基序參與蛋白與蛋白的相互作用或促進蛋白質(zhì)重構(gòu)，HSA和BRK結(jié)構(gòu)域可能具有解螺旋酶功能，并且參與了與DNA以及其他轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合過程，但具體功能尚不詳[11－12]?？傊珺rg1蛋白的結(jié)構(gòu)域在識別被修飾的組蛋白、招募染色質(zhì)重塑活動至目的基因等過程中發(fā)揮重要作用。

人類SWI/SNF復(fù)合物主要成分有核心酶Brg1（hBrm）、BAF170、BAF155、BAF47/INI1、BAF60、BAF57、BAF53和肌動蛋白。單獨使用Brg1能夠?qū)诵◇w進行有效的改構(gòu)，但當(dāng)加入核心SWI/SNF亞基成分（BAF170、BAF155、BAF47）時，可使染色質(zhì)重塑效果更佳。

Brg1和Brm約有74%的序列同源，且在體外表現(xiàn)出相似的生化活性[13]。盡管如此，Brg1和Brm在許多細(xì)胞的增殖和分化等生命活動中卻發(fā)揮著不同的功能。研究顯示，Brg1比Brm更早表達，在維持胚胎干細(xì)胞多能性方面，起著優(yōu)勢性的作用[13－14]，并且Brg1被破壞時會引起胚胎在胚泡階段死亡。相比之下，破壞重塑復(fù)合物的另一亞基Brm，卻不會引起胚胎的死亡[15]。

2 與Brg1相互作用的蛋白質(zhì)

Brg1能與多種蛋白質(zhì)結(jié)合并相互作用，參與DNA復(fù)制和修復(fù)、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)、基因表達調(diào)節(jié)、基因重組等過程，但具體的機制仍無法確定。根據(jù)轉(zhuǎn)錄的結(jié)果，可將這些蛋白質(zhì)分為3類：轉(zhuǎn)錄輔激活物，轉(zhuǎn)錄輔阻遏物和腫瘤抑制因子。具體包括SWI／SNF復(fù)合物亞基成分、核受體類蛋白、轉(zhuǎn)錄相關(guān)蛋白、染色質(zhì)修飾酶復(fù)合物、腫瘤抑制因子以及維持基因穩(wěn)定的核心蛋白等[12]。迄今為止，研究最為透徹的是Brg1作為核心酶的SWI／SNF復(fù)合物。

3 Brg1介導(dǎo)的染色質(zhì)重塑的募集作用和對轉(zhuǎn)錄的影響

已經(jīng)證實，人體的不同組織細(xì)胞中，Brg1與以上蛋白質(zhì)形成復(fù)合物引發(fā)染色質(zhì)重塑，改變核小體的構(gòu)象和位置，增加DNA對轉(zhuǎn)錄因子的可接近性，有利于募集染色質(zhì)重塑復(fù)合物到特異啟動子上，進而激活或抑制基因的轉(zhuǎn)錄和表達。

3.1 Brg1介導(dǎo)的染色質(zhì)重塑的募集作用

Brg1上存在許多不同的基序，通過SWI／SNF復(fù)合物與轉(zhuǎn)錄因子、共調(diào)解因子或轉(zhuǎn)錄相關(guān)蛋白結(jié)合并相互作用，這些基序可將SWI／SNF復(fù)合物募集到特異基因的啟動子上。這種相互作用影響重塑復(fù)合物的活性，增強了其與特異基因序列的結(jié)合，以利于有效的結(jié)合和染色質(zhì)重塑[16]。大量研究證明，募集SWI／SNF復(fù)合物并使其穩(wěn)定結(jié)合于基因特異的啟動子上，是多種因子共同作用的結(jié)果，并且需要一種或多種重塑復(fù)合物亞基的調(diào)節(jié)。研究證據(jù)表明，這種重塑復(fù)合物與DNA的結(jié)合是非特異性的，但可以與轉(zhuǎn)錄因子的基因特異活化結(jié)構(gòu)域協(xié)作，以提高重塑效率[16]。

選取2015年9月—2017年9月到我院接受治療的168例偏癱性肩關(guān)節(jié)周圍炎患者作為研究對象，將其分為常規(guī)針灸治療組和平衡針灸治療組，每組各84例患者。常規(guī)針灸治療組中，男50例、女34例，患者年齡為42～75歲，平均年齡為（66.53±9.87）歲。其中，左肩患病患者40例，右肩患病患者44例；平衡針灸治療組中，男49例、女35例，患者年齡為40～73歲，平均年齡為（67.21±8.98）歲。其中，左肩患病患者39例，右肩患病患者45例。兩組患者的性別、年齡、患病部位一般資料對比，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），具有可比性。

3.2 Brg1介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄激活

Brg1能與多種蛋白質(zhì)形成復(fù)合物來激活轉(zhuǎn)錄過程。核受體屬于配體依賴的轉(zhuǎn)錄因子。大量研究顯示，Brg1介導(dǎo)的染色質(zhì)重塑通過與大量核受體相互作用而影響著配體依賴的轉(zhuǎn)錄激活。分子報告模型分析顯示，Brg1是核受體參與的轉(zhuǎn)錄激活的關(guān)鍵成分，如雌激素受體介導(dǎo)的基因轉(zhuǎn)錄激活時離不開Brg1的作用，當(dāng)缺少Brg1時，雌激素依賴的啟動子轉(zhuǎn)錄激活能力會明顯降低；當(dāng)加入Brg1后，轉(zhuǎn)錄活動恢復(fù)[12]。在細(xì)胞模型中，大量GR敏感的啟動子在轉(zhuǎn)錄過程中都對Brg1有依賴性[17]。小鼠受精卵基因活化和轉(zhuǎn)錄需要Brg1，敲除Brg1的卵母細(xì)胞形成的受精卵轉(zhuǎn)錄水平下降。ES細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄啟動子處聚集大量的Brg1，是ES細(xì)胞轉(zhuǎn)錄激活所必需的因子[18]。

3.3 Brgl介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄抑制和基因沉默

Brg1也可以與多種蛋白質(zhì)相互作用抑制基因轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致基因沉默，這對于細(xì)胞的循環(huán)調(diào)控非常重要。研究顯示，通過與大量的轉(zhuǎn)錄輔阻遏物相互作用，Brg1在基因的沉默中起重要作用，如Brg1可以與RB蛋白一起參與細(xì)胞循環(huán)的阻滯，基因轉(zhuǎn)錄的抑制和基因沉默過程[19]。此外，Brg1也可以和組蛋白修飾酶結(jié)合，共同參與基因的轉(zhuǎn)錄抑制。研究發(fā)現(xiàn)，Brg1是mSin3A/HDAC抑制復(fù)合物的關(guān)鍵組分，通過與轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)的輔阻遏物和組蛋白修飾酶結(jié)合對染色質(zhì)起作用，導(dǎo)致基因沉默[20]。另有研究證實，SWI／SNF復(fù)合物核心酶Brg1通過與mSin3A/HDAC抑制復(fù)合物結(jié)合抑制轉(zhuǎn)錄因子P4.2的表達，進而抑制紅系祖母細(xì)胞的分化[21]。在骨髓間質(zhì)干細(xì)胞中，敲除Brg1會導(dǎo)致沉默細(xì)胞的增加，Brg1下調(diào)也會引起異染色質(zhì)的增加而使轉(zhuǎn)錄水平下降[22]。

4 Brg1的生物學(xué)作用

大量研究證明，在人體和動物不同的組織細(xì)胞中，Brg1介導(dǎo)的染色質(zhì)重塑復(fù)合物通過調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄和表達，在干細(xì)胞的增殖和分化中發(fā)揮重要的作用。Kidder等[23]用全基因的DNA微陣列和免疫共沉淀分析，發(fā)現(xiàn)小鼠ES細(xì)胞內(nèi)Brg1與多潛能性相關(guān)的基因Nanog、Oct4和Sox2相互作用，共同定位于基因啟動子位置。在小鼠早期的胚泡和ES細(xì)胞中，用RNA干擾的方法敲除BRG1，會造成胚泡的Oct4和Nanog的異常表達、ES細(xì)胞多潛能性相關(guān)基因的表達下調(diào)及種系特異性基因的表達上調(diào)而使其丟失多潛能性。Saladi等[18]發(fā)現(xiàn)，缺少Brg1的受精卵無法發(fā)育成胚胎干細(xì)胞，當(dāng)破壞SWI/SNF復(fù)合物的亞基Brg1時，小鼠胚胎發(fā)育至胚泡階段就會死亡，除此還發(fā)現(xiàn)缺乏Brg1的ES細(xì)胞分化為內(nèi)外胚層的過程會受損。上述結(jié)果證實了小鼠早期胚胎發(fā)育離不開Brg1，而ES細(xì)胞的自我更新、多能性的維持及分化為不同的細(xì)胞系都需要Brg1發(fā)揮作用。

Brg1介導(dǎo)的染色質(zhì)重塑在神經(jīng)干細(xì)胞的維持、增殖、分化以及神經(jīng)元發(fā)育成熟等方面發(fā)揮重要的作用。在神經(jīng)發(fā)育的不同階段，該復(fù)合物有著專職功能。最近研究顯示在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程中，SWI/SNF復(fù)合物起著劑量依賴性的關(guān)鍵作用。SWI/SNF復(fù)合物內(nèi)部亞基的交換對神經(jīng)細(xì)胞的分化過程（如全能性到多能性胚胎干細(xì)胞，并最終分化為有絲分裂后的細(xì)胞）是至關(guān)重要的[24]。Brg1參與小鼠晶狀體細(xì)胞染色體退化的過程，也控制著神經(jīng)干細(xì)胞的維持，以及多細(xì)胞系和器官的終末分化，如T細(xì)胞、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞和四肢[25]。

神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的生成過程同樣需要Brg1，它以促進神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞分化的方式，抑制神經(jīng)干細(xì)胞的分化，調(diào)節(jié)著神經(jīng)細(xì)胞和膠質(zhì)細(xì)胞生成的轉(zhuǎn)換過程[26]。

Brg1的異常表達會阻礙SWI/SNF復(fù)合物的正?；钚?，并延遲或阻礙骨髓細(xì)胞分化。在依賴IL-3的小鼠骨髓祖代細(xì)胞中，dnBrg1高表達可導(dǎo)致G-CSF誘導(dǎo)的粒細(xì)胞延遲成熟，骨髓細(xì)胞發(fā)育阻滯在早幼粒細(xì)胞/晚幼粒細(xì)胞階段[26]，提示Brg1的正常染色質(zhì)重塑功能是依賴G-CSF骨髓細(xì)胞分化為粒細(xì)胞所必需的，造血細(xì)胞關(guān)鍵階段依賴于Brg1介導(dǎo)的染色質(zhì)重塑過程。另外，Brg1介導(dǎo)的 SWI/SNF復(fù)合物可與mSin3A/HDAC抑制復(fù)合物結(jié)合抑制紅系祖母細(xì)胞的分化[21]。

在體外培養(yǎng)MSCs時，高表達Brg1會導(dǎo)致細(xì)胞周期被阻滯，并伴隨細(xì)胞大量衰老和凋亡。同時還發(fā)現(xiàn)，Brg1本身雖不會導(dǎo)致細(xì)胞分化，但可以加快細(xì)胞分化過程，這說明Brg1介導(dǎo)的重塑復(fù)合物參與小鼠間質(zhì)干細(xì)胞的循環(huán)阻滯，促進細(xì)胞分化，衰老和凋亡[27]。

Brg1作為一種染色質(zhì)重塑蛋白，在心肌的生長、分化以及基因表達過程中起著關(guān)鍵性作用。Brg1可以促進心肌細(xì)胞的增生，維持胚胎期的心臟分化。成年期Brg1基因表達關(guān)閉，但在心臟發(fā)生應(yīng)激時又可重新被激活，阻斷Brg1的再表達，能減輕心肌肥厚。臨床上某些肥厚性心肌病患者Brg1基因激活后，表達水平與病情的嚴(yán)重性呈正相關(guān)。研究還提示，Brg1可維持心肌細(xì)胞的胚胎期狀態(tài)[28]。

研究發(fā)現(xiàn)，Brg1是體細(xì)胞轉(zhuǎn)化為多能干細(xì)胞的重要因子，可促進細(xì)胞的重編程過程。Hansis等[29]發(fā)現(xiàn)，用非洲爪蟾的提取物可以使完整的人類293T腎細(xì)胞和原始白細(xì)胞被重編程為未分化狀態(tài)的細(xì)胞，分子篩選鑒定出該提取物中含有染色質(zhì)重塑復(fù)合物的核心酶Brg1。當(dāng)用這種提取物誘導(dǎo)細(xì)胞核重編程時，發(fā)現(xiàn)提取物中充足的細(xì)胞核因子（如Brg1）保留在去核的受體細(xì)胞中是成功的前提[30]。

在細(xì)胞核的重編程過程中，Brg1作為染色質(zhì)重塑復(fù)合物的成分，在誘導(dǎo)染色質(zhì)重塑中發(fā)揮決定性的作用。但目前重編程的效率非常低?？赡艿脑蚴?，除了Oct4、SOX2、c-Myc和Klf4四個因子外，仍需要通過逆轉(zhuǎn)錄導(dǎo)入其他因子，如染色質(zhì)重塑因子ISWI和 Brg1來參與細(xì)胞核的重編程[4]。

Singhal等[5]利用分子機理，成功地加快了實驗小鼠細(xì)胞的重編程，表明在細(xì)胞重編程過程中，染色體重塑復(fù)合物起著關(guān)鍵作用，其中特定的蛋白質(zhì)Brg1、Baf155和Ini1可以顯著提高體細(xì)胞轉(zhuǎn)化為多能干細(xì)胞的效率，其4.5%的產(chǎn)出率明顯高于以往的報道。

5 展望

iPS不僅為科學(xué)研究和臨床應(yīng)用提供了新的細(xì)胞來源，也避免了長期困擾胚胎干細(xì)胞研究的倫理問題。但當(dāng)前iPS的誘導(dǎo)效率非常低，且誘導(dǎo)過程需要的時間較長，Brg1作為體細(xì)胞轉(zhuǎn)化為多能干細(xì)胞的重要因子，顯示出一定的促進細(xì)胞重編程的作用，為提高iPS細(xì)胞轉(zhuǎn)化效率提供了可能。但是，其作用機制尚不明確，還需更為深入的研究。

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Research Progress of Brg1 in Cell Reprogramming

QU Yue,DENG Chenliang,ZHENG Jianghong.

Department of Plastic Surgery,Shanghai Sixth People′s Hospital,Shanghai Jiaotong University School of Medicine,Shanghai 200233,China. Corresponding author:ZHENG Jianghong(E-mail:515046216@qq.com).

【Summary】Brg1,the component of the chromatin remodeling complex,plays a role in chromatin remodeling and highly increases the reprogramming efficiency.Here the role of Brg1-dependent chromatin remodeling complex in regulating the proliferation and differentiation of cells was reviewed.

Induced pluripotent stem cells;Brg1;Chromatin remodeling; Reprogramming

Q813.1+1

B

1673－0364（2011）06－0344－03

2011年9月5日；

2011年10月12日）

10.3969/j.issn.1673-0364.2011.06.014

國家自然科學(xué)基金（30571929），上海市衛(wèi)生局資助課題（2006055）。

200233 上海市 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第六人民醫(yī)院整形外科。

鄭江紅（E－mail：515046216@qq.com）。