擬南芥中組蛋白的生物學功能

楊婉冬，楊紅春

（武漢大學生命科學學院/雜交水稻國家重點實驗室（武漢大學），湖北 武漢 430072）

核小體是真核細胞染色質的基本組成單位，約147 bp的DNA纏繞核心組蛋白八聚體（核心組蛋白包括組蛋白H2A、H2B、H3和H4）約1.65圈后，在連接組蛋白H1的穩(wěn)定作用下形成核小體[1，2]。組蛋白為核小體的基本組分，是構成真核生物染色質的基本結構蛋白，富含精氨酸和賴氨酸等堿性氨基酸，屬于堿性蛋白質，能夠與酸性的DNA緊密結合。在結構上，組蛋白包括2個不同的結構域：一是參與組蛋白與組蛋白相互作用的球形域；二是延伸在核小體表面的尾部結構域，尾部結構域具有多種修飾位點，可以進行甲基化、乙?；?、磷酸化、泛素化等多種組蛋白修飾，這些修飾以不同的方式改變核小體的構象與穩(wěn)定性，影響染色質的緊密程度和可及性，決定基因的轉錄活性[3]。核小體結構是動態(tài)變化的，在不同的生命過程中，ATP依賴的染色質重塑復合體能夠改變核小體的結構與其在基因啟動子區(qū)的排列，影響轉錄因子與啟動子的結合，從而改變基因的轉錄狀態(tài)[4]。植物中組蛋白功能的研究起步較晚，許多具體的功能與分子機制仍不清楚，有待深入探索。對擬南芥中已知的組蛋白種類進行簡要介紹，并對組蛋白的生物學功能進行系統(tǒng)綜述，以期為擬南芥組蛋白功能的深入研究提供參考。

1 組蛋白分類

1.1 常規(guī)組蛋白

幾乎所有真核生物都具有5種不同類型的組蛋白，分別是構成核小體組蛋白八聚體的核心組蛋白H2A、H2B、H3和H4，以及起穩(wěn)定和連接作用的連接組蛋白H1。組蛋白八聚體由兩分子的組蛋白H3、H4、H2A和H2B構成，包括2個H2A-H2B二聚體和1個（H3-H4）2四聚體[5]。DNA復制的過程也是核小體倍增的過程，基因組上存在著大量組蛋白基因，能夠滿足在DNA復制的同時合成足夠的組蛋白。在進化上，組蛋白的序列十分保守，沒有種屬及組織特異性，在各物種間表現(xiàn)出結構與功能的高度類似。常規(guī)組蛋白在細胞周期的S期表達，通過復制依賴的方式在DNA復制過程中組裝到核小體中[6，7]。

1.2 組蛋白變體

除常規(guī)組蛋白外，還有一類特殊狀態(tài)染色質所需的核小體組分——組蛋白變體，它們具有與常規(guī)組蛋白不同的編碼基因、氨基酸序列以及相關的生物學功能。組蛋白變體可以在相關伴侶蛋白的作用下，在染色質的特定位置替換常規(guī)組蛋白，改變核小體結構的穩(wěn)定性，參與基因的轉錄調控、DNA損傷修復、異染色質沉默等生物學過程[8]。在植物中，H3、H2A和H1均有組蛋白變體，目前的研究報道多集中于H3的變體H3.3和CenH3，以及H2A的變體H2A.X、H2A.W和H2A.Z，這些組蛋白變體與常規(guī)組蛋白的氨基酸序列具有差異（圖1）。

1.2.1 組蛋白H3變體擬南芥中，常規(guī)組蛋白H3（組蛋白H3.1）由HTR1、HTR2、HTR3、HTR9和HTR13這5個基因編碼，組蛋白變體H3.3由HTR4、HTR5和HTR8這3個基因編碼，HTR4編碼的H3.3具有一段功能未知的N端序列，除此之外，H3.3與H3.1之間僅有4個氨基酸殘基的差異（圖1A）。復制依賴型組蛋白H3.1僅在S期DNA復制過程中組裝進核小體，復制獨立型組蛋白H3.3則可以在整個細胞周期中組裝進核小體。H3.1在基因組的沉默區(qū)域富集，包括那些具有H3K27me（指組蛋白H3第27位賴氨酸殘基的甲基化修飾）、H3K9me抑制性修飾的區(qū)域，H3.3在轉錄活躍的基因中富集，尤其在基因的3’轉錄終止位點高度富集，并且與H3K4me、H3K36me和H2Bub（指組蛋白H2B的泛素化修飾）等基因激活性修飾有關[7]。H3.3還通過保持最佳核小體密度和阻止H1在基因上的沉積，來維持適合轉錄的染色質結構[6]。CenH3由HTR12編碼，是N端氨基酸殘基保守性較差、定位于著絲粒區(qū)域的特異性H3變體，對著絲粒的建立與染色體的正常分離至關重要。CenH3核小體組裝發(fā)生在有絲分裂G2期，CenH3的C端區(qū)域負責著絲粒的識別，組蛋白伴侶KNL2（KINETOCHORE NULL 2）和NASP（NUCLEAR AUTOANTIGENIC SPERM PROTEIN）介導CenH3的積累[9，10]。

1.2.2 組蛋白H2A變體擬南芥常規(guī)組蛋白H2A由HTA1、HTA2、HTA10和HTA13這4個基因編碼，組蛋白變體H2A.X由HTA3和HTA5這2個基因編碼，能夠發(fā)生磷酸化，C端具有保守的SQEF基序（圖1B）。當細胞出現(xiàn)DNA損傷時，磷酸化的H2A.X會在DNA斷裂的地方替換H2A，參與DNA損傷修復與轉錄重啟[11]。組蛋白變體H2A.W由HTA6、HTA7和HTA12這3個基因編碼，C端含有保守的SPKK基序（圖1B）。H2A.W主要位于異染色質區(qū)域，能夠促進異染色質的凝縮，與異染色質修飾標記H3K9me2（指組蛋白H3第9位賴氨酸殘基的二甲基化修飾）、DNA甲基化協(xié)同作用，維持異染色質沉默[12]。組蛋白變體H2A.Z由HTA8、HTA9和HTA11這3個基因編碼，在基因的5’端高度富集，H2A.Z對基因的轉錄調控與其在染色質上的位置有關：H2A.Z分布在編碼區(qū)會抑制轉錄，而分布在+1核小體位點則可以激活一些基因的轉錄，說明H2A.Z在基因的轉錄調控中具有雙重作用[13]。

2 組蛋白的功能

2.1 核小體組裝與DNA壓縮

高等植物的細胞核非常小，DNA需要通過一系列的壓縮折疊組裝成具有高級結構的染色質儲存于細胞核中，組蛋白是實現(xiàn)DNA壓縮功能的基礎，最終可以將DNA壓縮成近0.01%。組蛋白分子伴侶介導組蛋白與DNA的結合，在DNA復制、轉錄與修復等過程中幫助核小體組裝與去組裝。在核小體組裝過程中，首先H3-H4分子伴侶攜帶（H3-H4）2四聚體與DNA結合形成亞核小體結構，然后由H2A-H2B分子伴侶攜帶兩分子的H2A-H2B二聚體與其結合形成具有組蛋白八聚體的核小體[14]。擬南芥中參與H3.1-H4組裝的分子伴侶CAF-1（Chromatin Assembly Factor-1）的組分包括FAS1（FASCIATA1）、FAS2（FASCIATA2）以及MSI1（MULTICOPY SUPRESSOR OF IRA1）。介導H3.3-H4在核小體中累積的分子伴侶有ATRX（alpha thalassemia retardation syndrome Xlinked）和HIRA（histone regulatory homolog A）[15，16]。組裝H2A-H2B的分子伴侶是具有多個成員的NAP1（Nucleosome Assembly Protein 1）家族蛋白[17]。連接組蛋白H1結合在組蛋白八聚體外鎖住DNA的進出端，起穩(wěn)定核小體的作用。核小體之間通過linker DNA連接，形成的“串珠”結構在連接組蛋白H1的幫助下再經過多級螺旋組裝，最終形成具有高級結構的染色質[18]。

2.2 組蛋白修飾

表觀遺傳是指在基因的DNA序列沒有發(fā)生變化的情況下，基因表達卻發(fā)生可遺傳改變的一種區(qū)別于傳統(tǒng)遺傳學的方式，這類改變能通過有絲分裂或減數分裂在細胞或個體世代間遺傳，主要通過組蛋白修飾、DNA修飾、非編碼RNA等調控基因表達[19]。其中組蛋白修飾是真核生物表觀遺傳調控的重要方式之一，到目前為止，擬南芥中研究得比較清楚的是發(fā)生在組蛋白N端尾部結構域的修飾，包括甲基化、乙?；⒘姿峄?、泛素化等，這些修飾以不同的方式改變染色質的結構、控制染色質的可及性、調節(jié)轉錄活性，進而調控基因的表達[3]。組蛋白修飾不僅發(fā)生在不同的修飾位點上，如H3K4、H3K9、H3K27、H3K36（分別指組蛋白H3第4位、第9位、第27位、第36位賴氨酸殘基），還可以在同一個修飾位點發(fā)生不 同 程 度 的 修 飾，如H3K27me1、H3K27me2、H3K27me3（分別指組蛋白H3第27位賴氨酸殘基的單甲基化、二甲基化和三甲基化修飾）。通常組蛋白的乙?；?、H3K4me3、H3K36me2/me3和H2Bub1（H2B單泛素化）與基因表達激活相關，而組蛋白的去乙?；?，H3K9me、H3K27me3抑制基因的表達[20]。

在多種組蛋白修飾類型中，目前對組蛋白甲基化的研究最為清楚和深入，甲基化修飾主要發(fā)生在H3的N端尾部結構域的賴氨酸（K）殘基上。該過程是動態(tài)可逆的，包括甲基化和去甲基化2個過程，分別由組蛋白甲基轉移酶（Histone methyltransferases，HMTs）和組蛋白去甲基化酶（Histone demethylases，HDMs）催化完成（表1）。組蛋白甲基轉移酶大多是具有SET結構域的蛋白，組蛋白去甲基化酶包括賴氨酸特異性去甲基化酶1（Lsine-specific demethylase1，LSD1）和含有JmjC結構域的去甲基化酶（JmjC domain-containing histone demethylases，JHDM）[21，22]。已有研究表明，多種酶與復合體參與調控甲基化修飾的動態(tài)變化（表1），如甲基轉移酶SDG2（SET DOMAIN GROUP 2）催化H3K4me3的形成，激活基因SPL/NZZ（SPOROCYTELESS/NOZZLE）的轉錄，從而促進雄蕊小孢子細胞和花藥壁細胞的分化、胚珠發(fā)育中近遠端模式的形成、細胞增殖和早期孢子的發(fā)生[23]。PRC2（Polycomb Repressive Complex 2）復合體催化H3K27me3的形成，在春化過程中誘導開花抑制基因FLC（FLOWERING LOCUS C）的轉錄抑制，從而促進開花[24]。去甲基化酶JMJ16（JUMONJI 16）通過降低葉片衰老正調控因子WRKY53和SAG201（SENESCENCE-ASSOCIATED GENE 201）上H3K4me3的水平來抑制它們在成熟葉片中的表達，抑制葉片衰老[25]。

表1 擬南芥組蛋白H3尾部結構域的賴氨酸修飾Table 1 Lysine modification of the tail domain of histone H3 in A.thaliana

組蛋白的乙酰化由乙酰轉移酶HATs（histone acetyltransferases）和 去 乙 酰 化 酶HDACs（histone deacetylases）動態(tài)調控。植物中組蛋白乙酰轉移酶分為4個家族，包括GNAT（GCN5-related N-Acetyl Transferase）、MYST（MOZ、YBF2/SAS3、SAS2/TIP60）、p300/CBP（cAMP-responsive element-Binding Protein）和TAFII-250（TATA-binding protein-associated factor）家族[48]。去乙酰化酶分為3個家族，包括RPD3/HDA1（Reduced Potassium Dependency 3/Histone DeAcetylase 1）、SIR2（Silent Information Regulator 2）和HD2（the plant-specific Histone Deacetylase 2）家族[48]。組蛋白乙酰化水平能夠影響染色質的緊密程度，乙酰化修飾程度越高，染色質結構越松散，越有利于轉錄因子的結合；而乙酰化修飾程度越低，染色質結構越致密，越阻礙轉錄因子的結合。組蛋白的磷酸化發(fā)生在絲氨酸、蘇氨酸和酪氨酸殘基位點上，組蛋白H3的磷酸化修飾主要存在于第10位和第28位的絲氨酸（H3S10ph和H3S28ph）以及第3位和第11位的蘇氨酸（H3T3ph和H3T11ph）上，組蛋白的磷酸化修飾與有絲分裂和減數分裂中染色質的凝縮、細胞凋亡有關[49]。組蛋白的泛素化修飾主要發(fā)生在H2A和H2B上，泛素化修飾的動態(tài)變化過程需要泛素、泛素激活酶E1、泛素結合酶E2、泛素連接酶E3、去泛素化酶DUB（deubiquitinase）的參與，進而參與光形態(tài)建成、生物鐘節(jié)律、細胞周期調節(jié)、激素信號傳遞等生理過程[50]。組蛋白的多種修飾之間還會形成更加復雜的調節(jié)網絡，共同參與基因表達調控，通過激活或者抑制發(fā)育進程中的基因，調控植物發(fā)育過程。

2.3 染色質重塑

核小體在包裝壓縮DNA的同時也妨礙了轉錄因子的結合，給基因表達造成障礙，而通過染色質重塑能夠打破這種障礙。染色質重塑是指染色質重塑復合體利用ATP水解產生的能量驅動核小體在DNA上滑動、移除、或者進行組蛋白變體的替換而改變核小體狀態(tài)的現(xiàn)象。染色質重塑能夠改變核小體的結構及其在啟動子區(qū)的分布，改變轉錄復合體和啟動子的可接近性，調節(jié)基因的表達。染色質重塑復合體根據其核心ATPase亞基結構域的特性，分為SWI/SNF（mating type switching/sucrose nonfermenting）、ISWI（imitation SWI）、CHD（chromodomain helicase DNA binding）和INO80（inositol autotroph 80）四類[4]。

擬南芥中，SWI/SNF家族包括SYD（SPLAYED）、BRM（BRAHMA）、CHR12（CHROMATIN REMOD ELING 12）和CHR23[51]，其中研究較多的是SYD和BRM。SYD調控擬南芥的生長發(fā)育以及脅迫響應，可以結合到WUS（WUSCHEL）的啟動子區(qū)，促進其轉錄表達，使莖尖分生組織中的干細胞保持未分化狀態(tài)，維持莖尖分生組織結構和功能的完整性[52]；還可以通過調控茉莉酸和乙烯信號通路下游基因的表達，在抗病、環(huán)境脅迫響應等過程中發(fā)揮作用[53]。BRM能與SWI3C和BSH（BUSHY）相互結合形成復合體，共同抑制胚性基因在葉組織中的表達[54，55]；還參與調控花器官決定基因以及開花途徑轉錄因子的表達[55]。CHR11及其同源蛋白CHR17是ISWI家族成員，CHR11、CHR17通過與RLT1（RINGLET1）和RLT2相互作用來抑制FT（FLOWERING LOCUS T）、

SEP1（SEPALLATA 1）、SEP3、FUL（FRUITFULL）和SOC1（SUPPRESSOR OF CONSTANS OVEREXPRESSION 1）的表達，并促進FLC在葉片中的表達，從而維持擬南芥的營養(yǎng)生長，避免早花[56]。RNA干擾下調CHR11表達的擬南芥中，植株具有細胞變小、雌配子發(fā)育停滯的生長缺陷[57]。PKL（PICKLE）是CHD家族的成員，在擬南芥中的同源蛋白PKR1和PKR2，能夠直接結合在AP3（APETALA3）、AG（AGAMOUS）、FLC等PcG下游基因上并激活其表達[58]。PIE1（PHOTOPERIOD-INDEPENDENT EARLY FLOWERING 1）是INO80家族的主要成員，能夠促進組蛋白變體H2A.Z替換常規(guī)組蛋白H2A，INO80可以與ARP6（ACTIN-RELATED PROTEIN 6）結合形成復合體，促進組蛋白H2A.Z在FLC染色質上富集，激活FLC表達抑制植物開花[59]。

3 總結與展望

組蛋白作為染色質的結構蛋白，在維持染色質結構的同時，還通過核小體組裝與去組裝、組蛋白修飾、染色質重塑等一系列動態(tài)變化調控擬南芥生長發(fā)育。已有研究初步揭示了擬南芥中組蛋白的種類及其生物學功能，但研究結果還十分有限，許多具體的功能與調節(jié)機制還不清楚，如組蛋白變體分別具有怎樣的生物學功能；常規(guī)組蛋白與組蛋白變體、組蛋白變體與組蛋白變體之間通過什么樣的機制完成替換；組蛋白尾部的修飾還有哪些種類、發(fā)揮什么作用，這些問題仍有待深入研究。