冀順霞, 王曉迪, 申曉娜, 劉萬學, 萬方浩,2, 呂志創(chuàng)*

1中國農業(yè)科學院植物保護研究所，植物病蟲害生物學國家重點研究室，北京 100193；2中國農業(yè)科學院深圳農業(yè)基因組研究所，廣東 深圳518120

溫度是影響生物體生長發(fā)育的重要環(huán)境因子之一，其細微的變化能極大地影響生物的生長、發(fā)育和繁殖等行為。受全球氣候變化特別是氣溫上升的影響，陸地生態(tài)系統(tǒng)的生物分布及豐富度將發(fā)生巨大改變，并將影響物種的擴散和發(fā)生成災(Deutschetal.,2008; Paulietal.,2012)。為了探明生物體如何適應外界環(huán)境溫度的變化，研究其表型可塑性尤為重要。響應環(huán)境溫度變化的表型可塑性機制包含2個層次：在遺傳層面，通過DNA序列改變所致基因功能變化的、長期的、不可逆的溫度適應性機制(Lancasteretal.,2016)；在表觀遺傳層面，通過非DNA序列改變所致基因表達水平變化的、短期的、可逆的溫度適應性機制(Kreβetal.,2017)。大量研究證實，表觀遺傳可以提供比遺傳機制更快的響應機制，從而促使生物體快速適應不良環(huán)境條件(Kumar,2018; Mirouze & Paszkowski,2011; Zhangetal.,2013)。因此，近年來溫度適應性的表觀遺傳調控研究備受關注。

染色質重塑是表觀遺傳學重要的組成部分之一。在真核生物中，將DNA包裝到染色質對于其基因組的組織和表達至關重要(Coronaetal.,2007)，染色質構型整體和局部的動態(tài)改變是基因功能調控的重要因素。為了保證染色質中DNA與蛋白質的動態(tài)結合，細胞內進化產生了一系列特異的染色質重塑因子。在生物體受到逆境脅迫時，這些重塑因子可以介導體內染色體的重塑過程，它們通過調控脅迫相關基因的表達來改變生物體的生理狀態(tài)，最終達到使生物體適應環(huán)境的目的。本文從表觀遺傳與溫度適應性、染色質重塑復合物的分類和組成、染色質重塑的主要方式以及染色質重塑在溫度適應性中的研究等方面予以綜述，闡述了染色質重塑調控生物溫度適應性的研究進展。

1 表觀遺傳與溫度適應性

表觀遺傳是指在基因的DNA序列沒有發(fā)生改變的情況下，基因功能發(fā)生了可遺傳的變化，并最終導致了表型的變化。主要包括染色質重塑、組蛋白修飾、DNA甲基化以及非編碼RNA這4個方面，它們可以在短時間內提高生物對環(huán)境脅迫的快速適應能力(Anetal.,2017; Stankiewiczetal.,2013)。大量研究證實，表觀遺傳可以提供比遺傳機制更快的響應機制，從而促使生物體快速適應不良環(huán)境條件(Kumar,2018; Mirouze & Paszkowski,2011; Zhangetal.,2013)。因此，從表觀遺傳角度來研究生物體溫度適應性成為近年來的研究熱點。

1.1 表觀遺傳簡介

表觀遺傳(epigenetics)一詞最早由胚胎學家和發(fā)育生物學家Waddington于1942年提出，用來描述基因型如何通過與環(huán)境相互作用而產生表現型(Waddington,2012)。隨后，表觀遺傳被定義為是一種在細胞分裂過程中無法用DNA序列改變來解釋基因功能的可遺傳性改變(Holliday & Pugh,1975; Robertson,1996)。目前，人們關于表觀遺傳的概念已達成共識，即認為表觀遺傳是指染色體改變所引起的穩(wěn)定并且可遺傳的表現型，而DNA序列并未發(fā)生變化(Bird,2007)。表觀遺傳為表現型與基因型之間的聯系提供了一種合理的解釋機制(Ghalamboretal.,2015; Jaenisch & Bird,2003)。近年來，關于表觀遺傳調控機制的研究主要集中在染色質重塑、DNA甲基化、組蛋白修飾、非編碼RNA等方面。

1.2 表觀遺傳與溫度適應性的研究概況

與經典遺傳學不同，表觀遺傳學在不改變DNA序列的情況下響應環(huán)境變化而對基因表達產生快速而持久的影響(Anetal.,2017; Stankiewiczetal.,2013)。表觀遺傳誘導的表型變異是一種可逆的改變，可以調控生物體對環(huán)境波動的快速響應，從而提高生物對環(huán)境脅迫的適應能力(Johannesetal.,2009; Kumar,2018; Mirouze & Paszkowski,2011)。

染色質重塑因子在擬南芥Arabidopsisthaliana(L.)應對溫度脅迫過程中發(fā)揮重要作用(Mlynarovaetal.,2007)。如，重塑因子AtCHR12是一種負調控因子，將AtCHR12過表達體暴露于高溫脅迫環(huán)境下會導致擬南芥初生莖和初生芽的生長停滯，且生長停滯應答反應依賴于溫度脅迫的嚴重程度。在釀酒酵母Saccharomycescerevisiae中重塑因子SNF2(sucrose nonfermenting, SNF)通過激活熱激轉錄因子HSF1(heat shock transcription factor 1)下游基因表達或通過調節(jié)核小體定位來抑制核糖體蛋白基因表達，而在熱脅迫反應過程中發(fā)揮激活或抑制基因表達的雙重作用(Shivaswamy & Iyer,2008)；重塑因子SWI3(switching defective, SWI)、SNF5、SWP82、SWI1的突變頻率與釀酒酵母耐高溫表型呈正相關(Huangetal.,2018)。在果蠅Drosophilamelanogaster中重塑因子NURF301(nucleosome remodeling factor, NURF)缺失會導致熱激蛋白基因hsp26和hsp70(heat shock protein gene, hsp)轉錄過程受阻(Badenhorstetal.,2002)。煙粉虱Bemisiatabaci(Gennadius)中重塑因子ISWI基因在高低溫脅迫條件下會發(fā)生過表達，干擾該基因后煙粉虱成蟲的耐熱性和耐寒性均顯著降低(Jietal.,2020)。

DNA甲基化和組蛋白修飾對生物體溫度適應性也有重要影響。甲基轉移酶MET 1(methyltransferase 1)和組蛋白去甲基轉移酶HDMT(histone demethyltransferase)均參與針葉樹對熱脅迫的應答響應，為樹木應對環(huán)境變化(如溫度脅迫)提供快速的途徑(Br?utigametal.,2013; Yakovlevetal.,2012)。抑制DNA甲基轉移酶Dnmt1和Dnmt3(DNA methyltransferase, Dnmt)基因表達后，煙粉虱的溫度耐受性顯著下降，死亡率顯著增加(Daietal.，2017，2018)。粘蟲MythimnaseparataWalker體內DNA甲基轉移酶在高、低溫脅迫條件下表達量降低，從而在其溫度耐受性中發(fā)揮某種作用(Wangetal.，2020)。赤擬谷盜TriboliumcastaneumHerbst體內的組蛋白去乙?；富騂DAC(histone deacetylases)對熱脅迫和冷脅迫均有反應(Chenetal.，2019)。還有研究發(fā)現，DNA甲基化和組蛋白甲基化均參與調控林蛙Ranasylvatica的抗寒能力(Hawkins & Storey,2018; Storey & Storey,2017; Zhangetal.,2020)。

此外，非編碼RNA也參與調控生物溫度適應性。據報道，siRNA(small interfering RNA)參與擬南芥的冷馴化調控(Putterilletal.,2004)；miRNA(microRNA)參與小麥TriticumaestivumL.的熱脅迫響應的調控(Ravichandranetal.,2019)。Cappuccietal.(2019)研究表明,在果蠅中高溫脅迫可以通過誘導性伴侶蛋白Hsp70的作用影響piRNA的生物合成，從而在轉錄后水平上增加轉座因子TEs(transposable elements)的表達。有關家雞GallusgallusdomesticusBrisson的研究表明,miR138可以抑制甲基轉移酶EZH2(enhancer of zeste homolog 2)的表達來調控其溫度耐受性(Kisliouketal.,2011)。

以上研究表明，表觀遺傳與生物體溫度適應性密切相關。生物體能夠通過染色質重塑、DNA甲基化、組蛋白修飾、非編碼RNA等調控途徑來提高自身對逆境溫度的適應能力。

2 染色質重塑復合物的分類和組成

染色質重塑是表觀遺傳學重要的組成部分之一。在真核生物細胞內存在一系列特異的染色質重塑因子，它們可以促進染色質中DNA與蛋白質的動態(tài)結合。這些因子是多亞基復合物，利用ATP水解產生的能量，通過滑動核小體等方式改變染色質的狀態(tài)，從而調控特定基因的表達(Corona & Tamkun,2004; Hopfneretal.,2012)。根據催化亞基的保守結構域，染色質重塑復合物主要分為SWI/SNF(SWI tching defective/sucrose non-fermenting)、ISWI(imitation SWI tch)、CHD(chromo helicase domain)和INO80(INO sitol requiring 80)這4個家族(Itoetal.,1997; Shenetal.,2000)。這些重塑復合物在結構上存在相似性和特異性，但在組成上存在較大差異。

2.1 染色質重塑復合物的分類

在真核生物中，將DNA包裝到染色質對其基因組的組織和表達至關重要(Coronaetal.,2007)。染色質緊密的超螺旋結構限制了轉錄因子對DNA的接近與結合，從而抑制了基因的轉錄過程；而開放式的疏松結構，使轉錄因子等更容易接近DNA，進而促進基因的活化和轉錄(Lietal.,2007)。為了保證染色質中DNA與轉錄因子等蛋白質的動態(tài)結合，細胞內進化產生了一系列特異性的染色質重塑因子。這些因子是多亞基復合物，它們利用水解ATP產生的能量通過滑動、移除核小體等方式改變染色質結構，從而調控真核生物的基因表達(Racki & Narlikar,2008)。所有重塑因子都具有以下5個基本特性：(a)對核小體高度親和；(b)包含識別組蛋白共價修飾的結構域；(c)包含相似的DNA依賴的ATP酶結構域，可破壞組蛋白與DNA之間的接觸，亦可參與重塑染色質，是染色質重塑過程所必需的元件；(d)包含可以調控ATP酶結構域的蛋白質；(e)包含與其他染色質或轉錄因子相互作用的結構域或蛋白質(Clapier & Cairns,2009)。

根據催化亞基的保守結構域，染色質重塑復合物可分為SWI/SNF、ISWI、CHD和INO80 4個亞家族(Cairnsetal.,1994; Itoetal.,1997; Shenetal.,2000)。不同亞家族的催化亞基都具有一個保守的ATPase結構域(由DExx和HELICc組成)，同時又具有各自特異的結構域以保證其功能特性，如：SWI/SNF家族包含HSA(helicase-SANT)、SnAC(Snf2-ATP coupling)以及C端的Bromo結構域；ISWI家族包含HAND、SANT(SWI3、ADA2、N-CoR、TFIIIB domains)以及SLIDE(SANT-like ISWI domain)結構域；INO80家族包含一個位于N端的HSA結構域；而CHD家族核心亞基的N端包含2個串聯的Chromo結構域(Clapier & Cairns,2009; Xiaetal.,2016)。各結構域獨特的功能如下：HSA結構域可以與肌動蛋白相關蛋白質結合(Becker & Workman,2013)；Bromo結構域能識別組蛋白及其他蛋白質N端乙酰化的賴氨酸(Clapier & Cairns,2009)；HAND-SANT-SLIDE結構域能結合染色質和相鄰核小體間的DNA(Dang & Bartholomew,2007)，且SANT結構域可以結合未修飾的組蛋白尾巴(Boyeretal.,2002,2004; Grüneetal.,2003)；而Chromo結構域能識別并結合組蛋白N端甲基化的賴氨酸(Brehmetal.,2004; Flanaganetal.,2005)。

2.2 染色質重塑復合物的組成

最早被發(fā)現和熟知的染色質重塑因子是SWI/SNF，該復合物由8～14個蛋白質亞基組成。在酵母中，染色質重塑復合物SWI/SNF存在SWI/SNF和RSC(remodels the structure of chromatin)2種形式，這2種存在形式具有明顯不同的、非重疊的作用(Mohrmann & Verrijzer,2005)。果蠅含有BAP(brahma associated proteins)和PBAP(polybromo-associated BAP)2種形式的SWI/SNF復合物，它們具有相同的催化亞基BRM(brahma homologue)，不同的是，BAP復合物具有OSA亞基，而PBAP復合物具有Polybromo亞基和BAP170亞基(Clapier & Cairns,2009)。

染色質重塑因子ISWI的催化亞基最早于果蠅的胚胎提取物中發(fā)現，由于其與酵母的Swi2/Snf2具有序列同源性，因而被命名為ISWI(Corona & Tamkun,2004)。該復合物通常由2～4個蛋白質亞基組成。果蠅中染色質重塑復合物ISWI存在3種形式，即NURF(nucleosome remodeling factor)、CHRAC(chromatin accessibility complex)和ACF(ATP-utilizing chromatin assembly and remodeling factor)。NURF包含ISWI、NURF301、NURF55/p55和NURF38 4個亞基，該復合物可以引起核心組蛋白相對DNA片段發(fā)生順勢移動，且可以激活轉錄。CHRAC包含ISWI、ACF1、CHRAC14和CHRAC16 4個亞基，該復合物可以參與調控果蠅早期發(fā)育(Coronaetal.,2000)。而另一復合物ACF僅由ISWI和ACF1 2個亞基組成，該復合物在染色質重塑過程中同樣發(fā)揮著不可替代的作用。

染色質重塑因子CHD家族包括2種存在形式：僅存在一個亞基、可單獨發(fā)揮其重塑功能的CHD1和由多個亞基組成的NuRD(nucleosome remodeling and histone deacetylase)(蔡祿，2012)。果蠅NuRD復合物中包含與轉錄抑制相關的MBD2/3(methyl-CpG binding domain，甲基化CpG結合結構域)和MTA(metastasis-associated proteins，轉移相關蛋白質)。這些CHD蛋白可通過染色質修飾和重塑進而抑制某些基因的轉錄(Denslow & Wade,2007)。

染色質重塑因子INO80的組成最為復雜。在酵母中該復合物包括INO80和SWR1 2種形式，其中，INO80有15個蛋白亞基，SWR1有16個蛋白亞基(Bao & Shen,2007)；而果蠅中該復合物的2種存在形式為Pho-INO80和Tip60，其中Pho-INO80有7個蛋白亞基，Tip60有18個蛋白亞基。盡管目前并不十分清楚其中大多數亞基起作用的詳細機制，但是可以推測它們在調控基因表達、DNA復制和修復過程中發(fā)揮各自重要的作用(周建杰和陳學峰，2016；Ghasemietal.,2015; Van-Attikum & Gasser,2005)。

3 染色質重塑的方式

染色質重塑是調控真核生物基因表達的重要機制，目前在生物體內至少發(fā)現有2類高度保守的染色質重塑的方式。第一類是依賴于ATP水解的染色質重塑復合物，這些復合物可以通過滑動、去除、解離或重新組裝核小體等方式重塑染色體進而調控基因的表達(Clapier & Cairns,2009)。第二類是組蛋白尾巴的作用，組蛋白尾巴的共價修飾(如甲基化、乙?；?、磷酸化和泛素化等)可以間接引起染色質的重塑(Tavernaetal.,2007)。

3.1 ATP依賴的染色質重塑

染色質重塑因子通過利用ATP水解產生的能量來移動或重新組裝核小體，從而在整個基因組范圍內調控基因的表達。其作用機制主要包括2個方面：一方面，染色質重塑因子可介導核小體沿著DNA 滑動，或將整個核小體從DNA上去除，或可引起核小體表面與DNA發(fā)生分離，形成"bulge"(也稱為"Loop")，使DNA結合位點暴露，進而使DNA結合蛋白(DNA-binding protein, DBP)與其結合位點順利結合(Gangaraju & Bartholomew,2007)。另一方面，染色質重塑因子可介導組蛋白變體與經典組蛋白間的置換，或從染色質上去除組蛋白二聚體，通過改變經典組蛋白的組成，從而使相應功能發(fā)生變化(Clapier & Cairns,2009)。

3.2 組蛋白尾巴與染色質重塑

組蛋白尾巴以不依賴ATP的方式介導組蛋白與DNA相互作用，參與核小體的去組裝和重新組裝過程。一方面，組蛋白尾巴影響某些染色質重塑因子的核小體重塑活性。如，重塑因子NURF需要組蛋白尾部的正確結合，組蛋白的尾部區(qū)域是NURF識別的關鍵部位，缺乏組蛋白尾部的核小體不能刺激NURF ATP酶的重塑活性；重塑因子ISWI識別組蛋白H4尾巴上的氨基酸R17H18R19，這對于ISWI發(fā)揮其重塑功能十分重要(Clapieretal.,2002)。另一方面，組蛋白尾巴的共價修飾影響染色質重塑因子的募集和穩(wěn)定性，調控基因表達。目前研究最多的修飾為組蛋白甲基化和乙酰化。不同形式的組蛋白甲基化修飾對基因表達的調控作用不同，H3K4me3(三甲基化，me: methylation)和H3K9me3修飾可促進染色質重塑復合物的募集，從而促進基因表達，而H3K9me1、H3K20me1、H3K27me1、H3K9me2、H3K27me3和H4R3me2修飾可抑制基因的表達(Lietal.,2006; Tanetal.,2020；Zhouetal.,2010)。組蛋白乙?；谷旧|結構變得疏松從而促進基因轉錄，相反，組蛋白去乙?；谷旧|結構變得緊密進而抑制基因表達(Pandeyetal.,2002; Zhietal.,2020)。

4 染色質重塑在溫度適應性中的研究進展

生物體抵抗高溫或低溫等環(huán)境脅迫的能力依賴于其自身調控脅迫應答基因表達的機制(Asensi-fabadoetal.,2017)。而染色質重塑是調控基因表達的重要手段，大量研究證據表明染色質重塑可以直接或間接影響生物體的溫度耐受性。

目前，植物中有關染色質重塑與溫度適應性方面的研究最為全面。Strenkertetal.(2011)研究發(fā)現，萊茵衣藻Chlamydomonasreinhardtii中熱激轉錄因子HSF1能夠介導染色質重塑成開放的染色質結構，從而促進脅迫相關基因的表達。Pecinkaetal.(2010)發(fā)現，擬南芥經過37 ℃處理30 h后，部分核小體連同上面攜帶的H3K9me2等抑制性表觀遺傳標記一起被移除，導致異染色質區(qū)域變松弛，使得原本被沉默的重復序列激活表達；而當熱脅迫處理結束后，核小體被重新裝載到染色體上，同時伴隨著H3K9me2的重新建立，最終導致重復序列恢復沉默。其他研究表明，具有核小體重新定位活性的已知染色質重塑因子(如BRM)與FGT1(FORGETTER1)相互作用有助于擬南芥的高溫傳代記憶(Brzezinkaetal.,2016; Friedrichetal.,2019)；Mlynarovaetal.(2007)發(fā)現，在高溫脅迫下擬南芥野生型植株中的chr12基因會發(fā)生過表達，以提高其對高溫脅迫的抵抗力；Zhaetal.(2017)的研究表明，重塑因子PKL(PICKLE)突變會導致擬南芥幼苗對高溫敏感性顯著降低，具體表現為下胚軸生長速度慢于野生型；Gratkowska-zmudaetal.(2020)發(fā)現，突變Swi3c會導致擬南芥中參與低溫反應的基因表達發(fā)生變化，進而影響其在不同溫度條件下的生長反應；Buszewiczetal.(2016)發(fā)現，擬南芥中染色質重塑因子SWI/SNF可以和組蛋白去乙?；赶嗷プ饔脧亩鴧⑴c熱脅迫響應；此外，對擬南芥高溫傳代記憶機制的研究發(fā)現，高溫可以激活熱激轉錄因子HSFA2(heat shock transcription factor A2)，而HSFA2可以與組蛋白去甲基化酶REF6(relative of early flowering 6)和BRM啟動子上的熱激轉錄元件直接結合，從而激活REF6和BRM基因的表達，進而影響擬南芥對溫度脅迫的響應(Liuetal.,2019)。有關水稻OryzasativaL.的研究表明，“中華11”水稻在遭受低溫脅迫處理后其SWI/SNF家族基因的表達會發(fā)生較大變化(Huetal.,2013)；另一研究表明，水稻OsDDM1a(decrease in DNA methylation 1, DDM1)基因和OsDDM1b基因的表達均受低溫脅迫所誘導，在其脅迫應答反應中發(fā)揮重要作用(高振蕊等，2011)。

此外，酵母體內的研究表明，SWI/SNF在熱激反應過程中發(fā)揮激活或抑制基因表達的雙重作用(Shivaswamy & Iyer,2008)；失活酵母中的重塑因子ISWI和SWI/SNF可以減少熱激期間熱激轉錄因子HSF(heat shock transcription factor)的有效結合，進而影響其溫度耐受性(Erkinaetal.,2010)。在果蠅中，ISWI型染色質重塑因子可以與GAGA因子協(xié)同作用從而促進熱激蛋白基因的轉錄(Badenhorstetal.,2002; Tsukiyamaetal.,1995)，而熱激蛋白在生物溫度耐受性中發(fā)揮著至關重要的作用。Jietal.(2020)通過RNAi技術對入侵種煙粉虱ISWI基因功能研究發(fā)現，飼喂dsRNA(double-stranded RNA)后煙粉虱成蟲的溫度耐受性顯著降低，表明ISWI基因在煙粉虱溫度適應性中起重要作用。Feineretal.(2018)比較爬行動物蜥蜴Podarcismuralis(Laurenti)在低溫與適溫條件下發(fā)育的胚胎基因表達譜發(fā)現，部分差異較大的基因與染色質重塑有關，這表明潛在的表觀遺傳機制可能是使其早期胚胎適應低溫的基礎。Tuetal.(2006)研究發(fā)現，哺乳動物細胞受到脅迫刺激時，其熱激轉錄因子HSF1可以與重塑因子brg1(brahma-related gene 1)結合，從而促進hsp70基因的轉錄。

本文對近年來關于染色質重塑調控生物溫度適應性的研究進行了總結、歸納(表1)。

表1 染色質重塑因子調控生物溫度適應性

從酵母到哺乳動物細胞，染色質重塑因子的調控作用具有一定的保守性?？傊?，作為對環(huán)境變化的快速響應，溫度脅迫下染色質重塑是經常發(fā)生的。染色質重塑參與生物體的溫度脅迫應答反應，且在生物溫度適應性中發(fā)揮重要作用。

5 結論與展望

溫度是限制物種適應性分布的重要環(huán)境因子，對極端環(huán)境溫度的耐受性決定著生物的分布和擴散范圍。大量研究證實，表觀遺傳可以提供比遺傳機制更快的響應機制，從而促使生物快速的適應極端環(huán)境溫度。染色質重塑是表觀遺傳調控的重要組成部分之一，可以通過調控脅迫相關基因的表達來改變生物體的生理狀態(tài)，從而達到使生物體適應環(huán)境的目的。然而，當前關于染色質重塑與溫度適應性的研究主要集中在模式生物(如擬南芥、酵母和果蠅等)的少數蛋白亞基上，相對于龐大且復雜的染色質重塑復合物來說，目前的研究只是冰山一角，仍有很多問題需要解決：(a)需要進一步探明染色質重塑復合物各亞基在生物體溫度適應性中的功能，以及各亞基間是否存在協(xié)同作用；(b)染色質重塑復合物與其所調控的下游基因的關系如何并未清楚，需要進一步深入研究；(c)如何將染色質重塑、組蛋白修飾和DNA甲基化等聯合分析，從而更加立體、全面和動態(tài)地從表觀遺傳的角度闡述溫度脅迫適應性機制，是未來溫度適應性研究需要解決的重要問題。