植物染色質(zhì)組蛋白H3變體的研究進展

張巧玲 位芳 臧新 田保明

摘要 組蛋白H3是構(gòu)成染色質(zhì)的重要成分之一。高等真核生物中，組蛋白H3的氨基酸序列較為保守，在染色質(zhì)動態(tài)變化中，有著非常重要的作用。除共價修飾外，如組蛋白H3甲基化、乙酰化，近期研究表明，動物組蛋白H3變體（H3 variants）也是一種重要的染色質(zhì)功能調(diào)節(jié)手段，但對植物中組蛋白H3的報道較少。根據(jù)近年最新研究成果，對植物組蛋白H3變體種類及其相關(guān)功能進行了總結(jié)和討論。

關(guān)鍵詞 H3變體;組蛋白;染色質(zhì);植物

中圖分類號 S188 ?文獻標識碼 A ?文章編號 0517-6611（2015）03-022-03

Advances in Chromatin Histone H3 Variants in Plants

ZHANG Qiaoling¹， WEI Fang²， ZANG Xin²， TIAN Baoming2*

（1. College of Chemistry and Environmental engineering， Yangtze University， Jingzhou， Hubei 434023; 2. School of Life Sciece， Zhengzhou University， Zhengzhou， Henan 450001）

Abstract Histone H3 was one important component to regulate chromatin activity by covalent histone modifications. Histone H3 that constitutes the nucleosome displays a strong degree of conservation amomg species. However， histone H3 variants exist and it is becoming clear that they play important roles in genome regulation as well. Majority of studies concerned histone H3 variants in transcriptional regulation come from animal models， but emerging data in plants suggest functional conservation， although plantspecific roles are likely to play. Thus we review these data and speculate on the biological significance of H3 variants in plants.

Key words H3 variant; Histone; Chromatin; Plant

基金項目 河南省農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項目（112201110022）。

作者簡介 張巧玲（1966- ），女，河南許昌人，副教授，碩士，從事生物化學(xué)方面的研究。*通訊作者，教授，從事生物技術(shù)與遺傳育種研究。

收稿日期 20141208

在真核生物中，基因組DNA高度濃縮化形成染色體（或染色質(zhì)）。在結(jié)構(gòu)上，染色質(zhì)作為遺傳信息的重要載體，是由約147 bp的DNA與八聚體組蛋白H2A、H2B、H3和H4相互作用而構(gòu)成。作為染色質(zhì)的重要成分之一，這些組蛋白在高等生物中其部分氨基酸殘基是十分保守的^[1]。根據(jù)DNA合成和核小體組裝時期的不同，可以將組蛋白分成兩類：一類是與細胞周期中染色體復(fù)制緊密相連，參與新合成DNA一起裝備成核小體;另一類是與染色體復(fù)制無關(guān)，在整個細胞周期都能合成并參與核小體裝備的組蛋白，與前者相比，這類組蛋白在基因表達調(diào)控方面往往具有十分重要的作用^[2]。

在大多數(shù)真核生物中，染色質(zhì)組蛋白H3至少包括3種不同類型的變體：著絲粒H3變體（CenH3）由于其N末端氨基酸殘基保守性較差，而成為一類，但它對于染色體正常分裂和分離非常重要;標準（或常規(guī)）組蛋白H3變體，即組蛋白H3.1，通常在細胞周期的DNA合成期S期合成，與DNA復(fù)制緊密相關(guān);相反，另外一類是與DNA復(fù)制無關(guān)，該類組蛋白變體在細胞周期各個階段都能合成，即替代型組蛋白H3.3變體。與標準組蛋白H3.1相比，兩者在長度和氨基酸殘基序列方面較為相似。

高等動物染色質(zhì)組蛋白變體H3.1和H3.3有4個特異性氨基酸殘基變異位點：在標準的H3.1變體中，其氨基酸殘基變異序列是A31S87V89M90，而替代型H3.3變體中，其氨基酸殘基是S31A87I89G90，這4個位點的氨基酸殘基變化對于染色質(zhì)組蛋白H3功能的轉(zhuǎn)變具有十分關(guān)鍵性的影響^[3]。

與動物十分類似，在高等植物中也發(fā)現(xiàn)有4個特異性的氨基酸殘基變化位點：X31X41X87X90，且41位點的氨基酸改變具有一定的植物特異性^[4]。此外，常規(guī)組蛋白變體H3.1和替代型變體H3.3在組裝核小體過程中都需要特異性分子伴侶^[5]。研究表明，在動物中分離純化的H3.1/H4復(fù)合體在DNA復(fù)制期有染色質(zhì)裝配因子1（CAF1）與其偶聯(lián);而復(fù)合體H3.3/H4包含有HIRA蛋白因子。同時，這2種分子伴侶也分別結(jié)合其他2種組蛋白分子伴侶ASF1a和ASF1b ^[6]。

組蛋白變體H3.1和H3.3在染色質(zhì)裝備中具有不同的功能。組蛋白在N末端經(jīng)翻譯后修飾，可以被染色質(zhì)重塑因子（chromatin remodeling factors）識別，進而影響基因的轉(zhuǎn)錄、修復(fù)和翻譯等。在果蠅和真核動物中，與組蛋白H3.1相比，轉(zhuǎn)錄激活標志往往位于H3.3上。然而，部分研究也表明，擬南芥組蛋白H3.1上27位lys甲基化和H3.3上36位lys甲基化都能產(chǎn)生^[7]。在果蠅中，H3.3變體與轉(zhuǎn)錄活性基因相關(guān)^[8]。在非洲爪蟾蜍中，H3.3變體與轉(zhuǎn)錄激活的表觀遺傳修飾相關(guān)。因此，組蛋白H3.3變體與基因轉(zhuǎn)錄激活有關(guān)^[9]。

與動物相比，盡管一些植物特異性染色質(zhì)組蛋白H3變體已經(jīng)鑒定，但這些變體的具體功能目前尚不清楚。基于此，筆者首先對植物中組蛋白H3進行系統(tǒng)分類，然后對近年來關(guān)于植物組蛋白H3的研究進展進行較為詳細的闡述。

1 植物組蛋白H3基因的多樣性

隨著部分植物基因組測序的完成，相關(guān)研究表明，組蛋白H3基因家族數(shù)量和類別與植物進化過程有一定關(guān)系。在綠藻中，除著絲粒CenH3變體外，有4個組蛋白H3相關(guān)基因（HISTONE THREE RELATED，HTR），然而，在陸生植物中，HTR基因數(shù)量約有14個^[10]。通過比對不同植物組蛋白H3的氨基酸序列，對不同植物的H3組蛋白進行了分類和統(tǒng)計。Chlamydomonas reinhardtii、Ostreococcus lucimarinus、Physcomitrella patens、Oryza sativa ssp japonica、Zea mays、Arabidopsis thaliana、Populus trichocarpa的HTR基因數(shù)量分別為4、4、16、15、14、15、13。

在2種單核藻類中，都有4個HTR基因，而在水稻和玉米以及擬南芥中，有14～15種HTR組蛋白變體^[10-11]。

為了區(qū)別植物中組蛋白H3.2和H3.3變體，根據(jù)基因表達類型不同，H3.1一般不包含內(nèi)含子;兩者在4個氨基酸位點上有顯著區(qū)別，在組蛋白H3.3中氨基酸位點是T31Y41H87L90，而在H3.1中是A31F41S87A90^[12-13]。在擬南芥中組蛋白H3.3變體包括HTR4、HTR5、HTR8和HTR14，在細胞周期的各個階段都可以檢測到，為組成型表達方式。然而，與陸生植物相比，單核綠藻僅含有4個組蛋白H3基因，且對應(yīng)的H3.3變體只有2種含有內(nèi)含子。此外，H3.3變體的氨基酸序列與H3.1具有較高相似性，在某些氨基酸上具有特異性^[14]。

此外，單核綠藻和高等植物的組蛋白H3.1變體間也有所不同。盡管兩者都不包含內(nèi)含子，但在氨基酸位點上有所變化，如在31、41、87和90位點上，不同植物間也有所不同。因此，可以將組蛋白H3.1分成2個亞組：H3.1A和H3.1B，前者主要是單核綠藻，對于位點是A31Y41（S/Q）87L90;后者是高等植物A31Y41S87L90（圖1）。

盡管在植物和動物中組蛋白H3裝配的亞基都非常保守，但對植物的研究尚不是很清楚。與動物相比，植物中CAF1復(fù)合體的同源成分是FASCIATA（FAS），其中包括FASCIATA1和FASCIATA2以及MULTICOPY SUPPRESSOR OF IRA1。復(fù)合體亞基的缺失將導(dǎo)致異常的細胞周期和異染色質(zhì)的形成[15-17 ]。

圖1 不同植物組蛋白變體H3氨基酸殘基序列對比^[18]

2 組蛋白H3變體與有性生殖

在哺乳動物精子形成過程中，在堿性蛋白和魚精蛋白的協(xié)助下，替代型組蛋白參與精子細胞染色質(zhì)的濃縮化^[19]。同樣，在植物雄配子發(fā)育過程中，在減數(shù)分裂完成后，形成2個生殖細胞（核）和1個營養(yǎng)細胞（核）。然后營養(yǎng)細胞核發(fā)育形成花粉管為精核進入胚珠提供通道。在此過程中，盡管沒有類似魚精蛋白的同源物，植物精細胞染色質(zhì)也同樣發(fā)生類似的濃縮化過程^[20-21]。

此外，轉(zhuǎn)錄分析表明，盡管染色質(zhì)發(fā)生濃縮，但某些基因仍處于轉(zhuǎn)錄活性狀態(tài)。對百合精細胞染色質(zhì)研究表明，組蛋白H2A、H2B和H3都具有細胞特異性，這些精細胞特異性組蛋白在氨基酸序列上與營養(yǎng)細胞都有一定差異^[22]。擬南芥轉(zhuǎn)錄因子DUO1可以激化組蛋白變體HTR10的表達，因此，推測HTR10可能與穩(wěn)定精細胞發(fā)育有關(guān)，或者與精細胞染色質(zhì)濃縮化有關(guān)^[23]。在動物有性生殖過程中，受精后，精子染色質(zhì)發(fā)生去濃縮化，進而與雌配子融合。在此過程中，組蛋白H3.3變體對染色質(zhì)有重塑作用，去濃縮化后，來源于母本的H3.3變體參與父本精核染色質(zhì)裝配^[24]。在果蠅中，此過程同時需要分子伴侶HIRA 和CHD1馬達蛋白的協(xié)助^[25]。在擬南芥中，類似的組蛋白H3變體有同樣功能，雄性配子染色質(zhì)去濃縮化，同時HTR10被切除后，受精過程結(jié)束，雌雄配子融合形成合子^[26]。盡管在植物中也存在HIRA 和CHD1同源物，但對于HTR10的消除與染色質(zhì)去濃縮化關(guān)系并不清楚^[28]。受精后不同階段的組蛋白變體分布模式見圖2。

圖2 受精后不同階段的組蛋白變體分布模式^[27]

3 組蛋白H3變體與共價修飾

染色質(zhì)組蛋白變體上都存在一定修飾，一些修飾在同類組蛋白中是保守的，如H3.1 和H3.3 的N 端有2個保守的甲基化位點。組蛋白變體的修飾有的是在替換之前加上的，有的是在替換之后加上的，但有些修飾對組蛋白變體的功能發(fā)揮是必需的，如H2A.X的磷酸化是其DNA 修復(fù)功能必需的;CENPA（CenH3）的Ser7 的磷酸化對其在細胞質(zhì)中的轉(zhuǎn)運是必需的;H4 尾部的Lys5 和Lys12 的乙酰化是復(fù)制時H4 的組裝所必需的^[29-30]。

染色體免疫沉淀（Chromatin immunoprecipitation，ChIP）試驗表明，在活躍的染色質(zhì)內(nèi)組蛋白的修飾較多，因此轉(zhuǎn)錄激活有關(guān)的組蛋白變體之上的修飾較多，如組蛋白變體H3.3 的氨基酸殘基K9、K14、K18、K23 的乙酰化和K4、K79的甲基化比變體H3.1多2～5倍^[31-32]。相反，染色質(zhì)沉默的標志是K9甲基化，且大部分發(fā)生在組蛋白H3.1變體上^[33]。

4 問題與展望

細胞可通過2個途徑將信息傳遞到子代細胞中：DNA 密碼的遺傳和表觀遺傳。表觀遺傳的信息包括DNA 和染色質(zhì)上的印記，具體有以下幾方面：①核小體構(gòu)型的變化（ATP依賴的染色體重構(gòu)）;②DNA 甲基化;③染色體蛋白的改變，包括組蛋白的修飾、組蛋白變體的替換、非組蛋白的改變;④非編碼RNA 調(diào)控轉(zhuǎn)錄。因此，組蛋白變體是決定染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)鍵因子之一。

對組蛋白變體的研究是表觀遺傳學(xué)新的研究熱點，是對“組蛋白密碼”（現(xiàn)在指組蛋白修飾）的新的詮釋。相對于已被廣泛認可的改變DNA2組蛋白相互作用的機制：ATP 依賴的染色體重構(gòu)作用以及組蛋白的翻譯后修飾，組蛋白的替換對于核小體結(jié)構(gòu)改變作用正逐步顯現(xiàn)出它的重要性。

然而，組蛋白H3.3變體與常規(guī)的組蛋白H3.1、變體和變體之間是通過什么復(fù)合物來完成替換？不同的組蛋白變體怎樣改變?nèi)旧w的結(jié)構(gòu)、影響基因的表達或沉默？組蛋白變體和修飾之間的關(guān)系如何？處在不同進化地位的生物其組蛋白變體有何不同？還有多少未知的組蛋白變體？這一系列關(guān)于組蛋白變體的疑問正在得到解答，但現(xiàn)有的研究還十分有限，許多具體的分子機制仍不清楚，有待深入研究。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2015年

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