楊婉冬，楊紅春

（武漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/雜交水稻國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢大學(xué)），湖北 武漢 430072）

核小體是真核細(xì)胞染色質(zhì)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(gòu)成真核生物染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)蛋白，富含精氨酸和賴氨酸等堿性氨基酸，屬于堿性蛋白質(zhì)，能夠與酸性的DNA緊密結(jié)合。在結(jié)構(gòu)上，組蛋白包括2個(gè)不同的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)域，尾部結(jié)構(gòu)域具有多種修飾位點(diǎn)，可以進(jìn)行甲基化、乙酰化、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(gòu)象與穩(wěn)定性，影響染色質(zhì)的緊密程度和可及性，決定基因的轉(zhuǎn)錄活性[3]。核小體結(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)變化的，在不同的生命過(guò)程中，ATP依賴的染色質(zhì)重塑復(fù)合體能夠改變核小體的結(jié)構(gòu)與其在基因啟動(dòng)子區(qū)的排列，影響轉(zhuǎn)錄因子與啟動(dòng)子的結(jié)合，從而改變基因的轉(zhuǎn)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(jī)制仍不清楚，有待深入探索。對(duì)擬南芥中已知的組蛋白種類進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，并對(duì)組蛋白的生物學(xué)功能進(jìn)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(gòu)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(gòu)成，包括2個(gè)H2A-H2B二聚體和1個(gè)（H3-H4）2四聚體[5]。DNA復(fù)制的過(guò)程也是核小體倍增的過(guò)程，基因組上存在著大量組蛋白基因，能夠滿足在DNA復(fù)制的同時(shí)合成足夠的組蛋白。在進(jìn)化上，組蛋白的序列十分保守，沒(méi)有種屬及組織特異性，在各物種間表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)與功能的高度類似。常規(guī)組蛋白在細(xì)胞周期的S期表達(dá)，通過(guò)復(fù)制依賴的方式在DNA復(fù)制過(guò)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(zhì)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(guān)的生物學(xué)功能。組蛋白變體可以在相關(guān)伴侶蛋白的作用下，在染色質(zhì)的特定位置替換常規(guī)組蛋白，改變核小體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，參與基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控、DNA損傷修復(fù)、異染色質(zhì)沉默等生物學(xué)過(guò)程[8]。在植物中，H3、H2A和H1均有組蛋白變體，目前的研究報(bào)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(gè)基因編碼，組蛋白變體H3.3由HTR4、HTR5和HTR8這3個(gè)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(gè)氨基酸殘基的差異（圖1A）。復(fù)制依賴型組蛋白H3.1僅在S期DNA復(fù)制過(guò)程中組裝進(jìn)核小體，復(fù)制獨(dú)立型組蛋白H3.3則可以在整個(gè)細(xì)胞周期中組裝進(jìn)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(zhuǎn)錄活躍的基因中富集，尤其在基因的3’轉(zhuǎn)錄終止位點(diǎn)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(guān)[7]。H3.3還通過(guò)保持最佳核小體密度和阻止H1在基因上的沉積，來(lái)維持適合轉(zhuǎn)錄的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)[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(duì)著絲粒的建立與染色體的正常分離至關(guān)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(fù)責(zé)著絲粒的識(shí)別，組蛋白伴侶KNL2（KINETOCHORE NULL 2）和NASP（NUCLEAR AUTOANTIGENIC SPERM PROTEIN）介導(dǎo)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(gè)基因編碼，組蛋白變體H2A.X由HTA3和HTA5這2個(gè)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(dāng)細(xì)胞出現(xiàn)DNA損傷時(shí)，磷酸化的H2A.X會(huì)在DNA斷裂的地方替換H2A，參與DNA損傷修復(fù)與轉(zhuǎn)錄重啟[11]。組蛋白變體H2A.W由HTA6、HTA7和HTA12這3個(gè)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(zhì)區(qū)域，能夠促進(jìn)異染色質(zhì)的凝縮，與異染色質(zhì)修飾標(biāo)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(zhì)沉默[12]。組蛋白變體H2A.Z由HTA8、HTA9和HTA11這3個(gè)基因編碼，在基因的5’端高度富集，H2A.Z對(duì)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控與其在染色質(zhì)上的位置有關(guān)：H2A.Z分布在編碼區(qū)會(huì)抑制轉(zhuǎn)錄，而分布在+1核小體位點(diǎn)則可以激活一些基因的轉(zhuǎn)錄，說(shuō)明H2A.Z在基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)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(xì)胞核非常小，DNA需要通過(guò)一系列的壓縮折疊組裝成具有高級(jí)結(jié)構(gòu)的染色質(zhì)儲(chǔ)存于細(xì)胞核中，組蛋白是實(shí)現(xiàn)DNA壓縮功能的基礎(chǔ)，最終可以將DNA壓縮成近0.01%。組蛋白分子伴侶介導(dǎo)組蛋白與DNA的結(jié)合，在DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄與修復(fù)等過(guò)程中幫助核小體組裝與去組裝。在核小體組裝過(guò)程中，首先H3-H4分子伴侶攜帶（H3-H4）2四聚體與DNA結(jié)合形成亞核小體結(jié)構(gòu)，然后由H2A-H2B分子伴侶攜帶兩分子的H2A-H2B二聚體與其結(jié)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(dǎo)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(gè)成員的NAP1（Nucleosome Assembly Protein 1）家族蛋白[17]。連接組蛋白H1結(jié)合在組蛋白八聚體外鎖住DNA的進(jìn)出端，起穩(wěn)定核小體的作用。核小體之間通過(guò)linker DNA連接，形成的“串珠”結(jié)構(gòu)在連接組蛋白H1的幫助下再經(jīng)過(guò)多級(jí)螺旋組裝，最終形成具有高級(jí)結(jié)構(gòu)的染色質(zhì)[18]。

2.2 組蛋白修飾

表觀遺傳是指在基因的DNA序列沒(méi)有發(fā)生變化的情況下，基因表達(dá)卻發(fā)生可遺傳改變的一種區(qū)別于傳統(tǒng)遺傳學(xué)的方式，這類改變能通過(guò)有絲分裂或減數(shù)分裂在細(xì)胞或個(gè)體世代間遺傳，主要通過(guò)組蛋白修飾、DNA修飾、非編碼RNA等調(diào)控基因表達(dá)[19]。其中組蛋白修飾是真核生物表觀遺傳調(diào)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(jié)構(gòu)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?nèi)旧|(zhì)的結(jié)構(gòu)、控制染色質(zhì)的可及性、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄活性，進(jìn)而調(diào)控基因的表達(dá)[3]。組蛋白修飾不僅發(fā)生在不同的修飾位點(diǎn)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(gè)修飾位點(diǎn)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(dá)激活相關(guān)，而組蛋白的去乙酰化，H3K9me、H3K27me3抑制基因的表達(dá)[20]。

在多種組蛋白修飾類型中，目前對(duì)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(jié)構(gòu)域的賴氨酸（K）殘基上。該過(guò)程是動(dòng)態(tài)可逆的，包括甲基化和去甲基化2個(gè)過(guò)程，分別由組蛋白甲基轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移酶大多是具有SET結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fù)合體參與調(diào)控甲基化修飾的動(dòng)態(tài)變化（表1），如甲基轉(zhuǎn)移酶SDG2（SET DOMAIN GROUP 2）催化H3K4me3的形成，激活基因SPL/NZZ（SPOROCYTELESS/NOZZLE）的轉(zhuǎn)錄，從而促進(jìn)雄蕊小孢子細(xì)胞和花藥壁細(xì)胞的分化、胚珠發(fā)育中近遠(yuǎn)端模式的形成、細(xì)胞增殖和早期孢子的發(fā)生[23]。PRC2（Polycomb Repressive Complex 2）復(fù)合體催化H3K27me3的形成，在春化過(guò)程中誘導(dǎo)開(kāi)花抑制基因FLC（FLOWERING LOCUS C）的轉(zhuǎn)錄抑制，從而促進(jìn)開(kāi)花[24]。去甲基化酶JMJ16（JUMONJI 16）通過(guò)降低葉片衰老正調(diào)控因子WRKY53和SAG201（SENESCENCE-ASSOCIATED GENE 201）上H3K4me3的水平來(lái)抑制它們?cè)诔墒烊~片中的表達(dá)，抑制葉片衰老[25]。

表1 擬南芥組蛋白H3尾部結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)移酶HATs（histone acetyltransferases）和 去 乙 酰 化 酶HDACs（histone deacetylases）動(dòng)態(tài)調(diào)控。植物中組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶分為4個(gè)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?；阜譃?個(gè)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?；侥軌蛴绊懭旧|(zhì)的緊密程度，乙?；揎棾潭仍礁?，染色質(zhì)結(jié)構(gòu)越松散，越有利于轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合；而乙?；揎棾潭仍降停旧|(zhì)結(jié)構(gòu)越致密，越阻礙轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)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(diǎn)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(shù)分裂中染色質(zhì)的凝縮、細(xì)胞凋亡有關(guān)[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(dòng)態(tài)變化過(guò)程需要泛素、泛素激活酶E1、泛素結(jié)合酶E2、泛素連接酶E3、去泛素化酶DUB（deubiquitinase）的參與，進(jìn)而參與光形態(tài)建成、生物鐘節(jié)律、細(xì)胞周期調(diào)節(jié)、激素信號(hào)傳遞等生理過(guò)程[50]。組蛋白的多種修飾之間還會(huì)形成更加復(fù)雜的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)，共同參與基因表達(dá)調(diào)控，通過(guò)激活或者抑制發(fā)育進(jìn)程中的基因，調(diào)控植物發(fā)育過(guò)程。

2.3 染色質(zhì)重塑

核小體在包裝壓縮DNA的同時(shí)也妨礙了轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合，給基因表達(dá)造成障礙，而通過(guò)染色質(zhì)重塑能夠打破這種障礙。染色質(zhì)重塑是指染色質(zhì)重塑復(fù)合體利用ATP水解產(chǎn)生的能量驅(qū)動(dòng)核小體在DNA上滑動(dòng)、移除、或者進(jìn)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(zhì)重塑能夠改變核小體的結(jié)構(gòu)及其在啟動(dòng)子區(qū)的分布，改變轉(zhuǎn)錄復(fù)合體和啟動(dòng)子的可接近性，調(diào)節(jié)基因的表達(dá)。染色質(zhì)重塑復(fù)合體根據(jù)其核心ATPase亞基結(jié)構(gòu)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(diào)控?cái)M南芥的生長(zhǎng)發(fā)育以及脅迫響應(yīng)，可以結(jié)合到WUS（WUSCHEL）的啟動(dòng)子區(qū)，促進(jìn)其轉(zhuǎn)錄表達(dá)，使莖尖分生組織中的干細(xì)胞保持未分化狀態(tài)，維持莖尖分生組織結(jié)構(gòu)和功能的完整性[52]；還可以通過(guò)調(diào)控茉莉酸和乙烯信號(hào)通路下游基因的表達(dá)，在抗病、環(huán)境脅迫響應(yīng)等過(guò)程中發(fā)揮作用[53]。BRM能與SWI3C和BSH（BUSHY）相互結(jié)合形成復(fù)合體，共同抑制胚性基因在葉組織中的表達(dá)[54，55]；還參與調(diào)控花器官?zèng)Q定基因以及開(kāi)花途徑轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)[55]。CHR11及其同源蛋白CHR17是ISWI家族成員，CHR11、CHR17通過(guò)與RLT1（RINGLET1）和RLT2相互作用來(lái)抑制FT（FLOWERING LOCUS T）、

SEP1（SEPALLATA 1）、SEP3、FUL（FRUITFULL）和SOC1（SUPPRESSOR OF CONSTANS OVEREXPRESSION 1）的表達(dá)，并促進(jìn)FLC在葉片中的表達(dá)，從而維持?jǐn)M南芥的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，避免早花[56]。RNA干擾下調(diào)CHR11表達(dá)的擬南芥中，植株具有細(xì)胞變小、雌配子發(fā)育停滯的生長(zhǎng)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(jié)合在AP3（APETALA3）、AG（AGAMOUS）、FLC等PcG下游基因上并激活其表達(dá)[58]。PIE1（PHOTOPERIOD-INDEPENDENT EARLY FLOWERING 1）是INO80家族的主要成員，能夠促進(jìn)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(jié)合形成復(fù)合體，促進(jìn)組蛋白H2A.Z在FLC染色質(zhì)上富集，激活FLC表達(dá)抑制植物開(kāi)花[59]。

3 總結(jié)與展望

組蛋白作為染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)蛋白，在維持染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還通過(guò)核小體組裝與去組裝、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑等一系列動(dòng)態(tài)變化調(diào)控?cái)M南芥生長(zhǎng)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(xué)功能，但研究結(jié)果還十分有限，許多具體的功能與調(diào)節(jié)機(jī)制還不清楚，如組蛋白變體分別具有怎樣的生物學(xué)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(guò)什么樣的機(jī)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(wèn)題仍有待深入研究。