薛滿德 趙峰月 李潔 姜丹華

（1.植物基因組學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所，北京 100101；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 101408）

核小體作為遺傳和表觀遺傳信息的載體，由約147 bp DNA纏繞組蛋白分子八聚體組成。同一組蛋白家族中分化出了氨基酸序列、表達(dá)模式或染色質(zhì)定位存在差異的成員，稱為組蛋白變體。組蛋白變體和組蛋白翻譯后修飾共同參與表觀遺傳調(diào)控，極大增強(qiáng)了染色質(zhì)的多樣性。目前研究表明，除了H4之外，其它組蛋白家族均存在變體，其中H2A和H3變體的研究較多。組蛋白變體在其特異分子伴侶的作用下組裝到染色質(zhì)，參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控、DNA損傷修復(fù)和異染色質(zhì)濃縮等生命過程。在植物中，組蛋白變體不僅參與發(fā)育過程，也調(diào)控植物對(duì)環(huán)境的響應(yīng)。由于組蛋白變體種類較多且功能復(fù)雜，本文將按照組蛋白家族進(jìn)行分類，分別介紹同一家族中不同變體的研究進(jìn)展，為進(jìn)一步研究組蛋白變體在染色質(zhì)調(diào)控，植物發(fā)育和環(huán)境響應(yīng)中的作用提供參考。

1 組蛋白H2A變體

植物中組蛋白H2A的變體主要有replicative H2A，H2A.X，H2A.Z和H2A.W。在四類H2A變體中，replicative H2A，H2A.X和H2A.Z在動(dòng)植物中相對(duì)保守，而H2A.W是一類植物特有的組蛋白變體［1］。不同的H2A變體主要是通過其蛋白質(zhì)序列的長(zhǎng)短和L1 loop，docking結(jié)構(gòu)域和C端尾巴序列3個(gè)保守的結(jié)構(gòu)域的不同區(qū)分［2］。replicative H2A主要行使常規(guī)組蛋白的功能，在DNA復(fù)制時(shí)參與核小體的組裝，而其它H2A變體都有其特殊的功能。

1.1 組蛋白變體H2A.Z

H2A.Z是一類真核生物中高度保守的組蛋白變體，在動(dòng)植物的生長(zhǎng)發(fā)育和環(huán)境響應(yīng)中發(fā)揮重要作用。H2A.Z與其他的組蛋白變體的不同是有較短的C端尾巴，并含有KD/E保守的基序，且H2A.Z的L1 loop的結(jié)構(gòu)域含有一個(gè)保守的S/TAHG的基序。由于H2A.Z的docking結(jié)構(gòu)域負(fù)責(zé)H2A.Z的組裝和去除，因此和其他組蛋白變體之間也差別較大，且這種差別在動(dòng)植物中高度保守，表明H2A.Z和其它H2A之間的分化較早［3］。H2A.Z主要富集在常染色質(zhì)區(qū)，其在基因上的分布和基因的表達(dá)活性存在關(guān)聯(lián)。在中高度表達(dá)的基因上，H2A.Z主要處于基因5'端轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)（transcriptional start site，TSS）附近，特別是在+1位核小體的位置明顯富集，而在低表達(dá)和響應(yīng)相關(guān)基因上，H2A.Z主要在基因的body區(qū)富集（圖1）。這些不同的富集模式表明H2A.Z即參與基因表達(dá)的激活也參與基因表達(dá)的抑制［4-8］。H2A.Z不僅通過影響染色體結(jié)構(gòu)，還通過自身的修飾調(diào)控轉(zhuǎn)錄。組蛋白修飾H2AK121ub是由PRC1（polycomb repressive complex 1）復(fù)合體介導(dǎo)的一種抑制型表觀遺傳修飾。在擬南芥（Arabidopsis thaliana）中，PRC1核心組分AtBMI1A/B/C催化H2A.Z上發(fā)生單泛素化修飾，進(jìn)而通過H2A.Zub賦予H2A.Z抑制基因表達(dá)的作用，這為研究H2A.Z在轉(zhuǎn)錄調(diào)控中的作用機(jī)制提供了一個(gè)新的思路［9］。

圖1 組蛋白變體在擬南芥染色質(zhì)和基因上的定位Fig.1 Chromosome and genic distributions of histone variants in A.thaliana

植物中，H2A.Z的染色質(zhì)組裝由保守的ATP依賴的染色質(zhì)重塑復(fù)合體SWR1（SWI2/SNF2-related 1）介導(dǎo)，其核心亞基有PIE1（PHOTOPERIOD-INDEPENDENT EARLY FLOWERING 1），ARP6（ACTIN RELATED PROTEIN 6），SWC4（SWR COMPLEX SUBUNIT 4） 和 SWC6（SWR COMPLEX SUBUNIT 6）等［10］。SWC4是SWR1復(fù)合體的一個(gè)特有亞基，其會(huì)招募SWR1復(fù)合體至特定的AT富集位點(diǎn)，將H2A.Z組裝到染色質(zhì)［11］。近年來，也發(fā)現(xiàn)一些新的因子參與H2A.Z的組裝。MBD9（methyl-CpG-binding domain 9）通過招募SWR1復(fù)合體到一些轉(zhuǎn)錄激活基因上，促進(jìn)H2A.Z的富集，進(jìn)而抑制這些基因的表達(dá)［12-14］。對(duì)于H2A.Z在染色質(zhì)上的去除機(jī)制，目前還存在爭(zhēng)議。酵母中的研究表明，INO80復(fù)合體能將H2A.Z從染色質(zhì)上去除［15］，但是也有研究表明轉(zhuǎn)錄前復(fù)合體（preinitiation complex，PIC）介導(dǎo)H2A.Z從染色質(zhì)上的去除［16］，且Pol II在H2A.Z的去除中發(fā)揮比INO80更重要的作用［17］。擬南芥中的研究發(fā)現(xiàn)，INO80 在不同的基因組位點(diǎn)上發(fā)揮H2A.Z組裝或去除的作用［18-21］，表明INO80可能具有H2A.Z組裝和去除的雙重功能。擬南芥NRP1（NAP1 related protein 1）和NRP2蛋白與H2A.Z互作也參與H2A.Z從染色質(zhì)上的去除［22］。除此之外，水稻（Oryza sativa）中也有一些關(guān)于H2A.Z分子伴侶的研究。保守的H2A分子伴侶OsChz1不僅和H2A-H2B結(jié)合，而且和H2A.Z-H2B結(jié)合。在oschz1突變體中，染色質(zhì)上H2A.Z的富集減少，表明OsChz1調(diào)控H2A.Z的染色質(zhì)組裝［23］。水稻中也存在INO80的同源蛋白，osino80純合突變體致死，而在雜合突變體和RNAi的材料中，一些赤霉素通路基因上的H2A.Z富集降低，暗示水稻的INO80 具有H2A.Z組裝的功能［24］。人 類 中，ANP32E（acidic nuclear phosphoprotein 32 family member E）也參與H2A.Z的去除［25-26］。植物中ANP32E的同源蛋白是否參與H2A.Z的去除，目前還是未知的。

H2A.Z介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控在植物發(fā)育中發(fā)揮重要的作用。在開花抑制因子FLC（FLOWERING LOCUS C）上，H2A.Z在TSS附近富集的減少造成FLC表達(dá)降低以及早花的表型［27］。而FRI（FRIGIDA）作為一個(gè)FLC轉(zhuǎn)錄激活復(fù)合體的支架蛋白通過和SWR1復(fù)合體互作，介導(dǎo)H2A.Z的富集和 FLC 的激活［28］。在 microRNA156A（miR156A）和miR156C位點(diǎn)上，H2A.Z通過促進(jìn)激活型的組蛋白修飾H3K4me3富集，激活miRNA的表達(dá)，促進(jìn)擬南芥開花［29］。水稻的H2A.Z在赤霉素合成基因 CPS1（CARBAMOYL PHOSPHATE SYNTHASE 1）和 GA3ox2（GIBBERELLIN 3-BETA-DIOXYGENASE 2）上富集并激活基因的表達(dá)，促進(jìn)赤霉素合成［24］。EIN2（ETHYLENE INSENSITIVE 2） 是 乙 烯 信 號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中一個(gè)關(guān)鍵因子，研究發(fā)現(xiàn)抑制型組蛋白修飾H3K27me3的去甲基化酶REF6（RELATIVE OF EARLY FLOWERING）和INO80復(fù)合體的亞基EEN（ENHANCE OF EIN6）協(xié)同抑制H3K27me3和H2A.Z在EIN2 5' UTR區(qū)的富集，從而促進(jìn)EIN2的表達(dá)［30］。也有研究表明，H2A.Z通過負(fù)調(diào)控花色素苷合成基因TT3（TRANSPARENT TESTA 3）和TT4的表達(dá)來抑制擬南芥花色素苷合成［31］。在番茄中，H2A.Z抑制類胡蘿卜素合成基因SlPSY1（PHYTOENE SYNTHASE 1）的表達(dá)從而延緩番茄成熟［32］。這些研究表明，H2A.Z通過調(diào)控基因的激活或抑制，參與植物生長(zhǎng)發(fā)育的多個(gè)方面。

H2A.Z在植物環(huán)境響應(yīng)中也發(fā)揮重要的作用。擬南芥pie1，swc6 和h2a.z突變體中水楊酸響應(yīng)基因 EDS5（ENHANCED DISEASE SUSCEOTIBILITY 5）和 ACD6（ACCELERATED CELL DEATH 6）持續(xù)表達(dá)，對(duì)細(xì)菌Pseudomonas syringae pv.Tomato DC3000的侵染表現(xiàn)出明顯的抗性，表明在正常生長(zhǎng)條件下，H2A.Z抑制了EDS5和ACD6的表達(dá)［33］。白霉菌Sclerotinia sclerotiorum是一種嚴(yán)重影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的真菌，SWR1復(fù)合體以依賴于經(jīng)典的抗病途徑RLK ERECTA（ER）通路的方式，促進(jìn)H2A.Z和H3K4me3在轉(zhuǎn)錄因子WRKY33的靶基因YDD（YODA DOWNSTREAM）上的富集，從而增強(qiáng) WRKY33激活 YDD表達(dá)的活性，促進(jìn)擬南芥對(duì)S.sclerotioru的響應(yīng)［34］。

H2A.Z不僅參與植物對(duì)生物脅迫的響應(yīng)，也調(diào)控對(duì)非生物環(huán)境的響應(yīng)。干旱是植物面臨的主要逆境之一，當(dāng)干旱處理時(shí)，H2A.Z在干旱響應(yīng)基因的body上富集降低，導(dǎo)致這些基因的表達(dá)激活［35］。鹽脅迫嚴(yán)重影響植物生長(zhǎng)和發(fā)育。在鹽脅迫條件下，擬南芥轉(zhuǎn)錄因子AtMYB44啟動(dòng)子區(qū)的H2A.Z被去除，從而激活A(yù)tMYB44的表達(dá)以應(yīng)對(duì)鹽脅迫［36］。光作為一種植物必須的環(huán)境信號(hào)，調(diào)控植物的生長(zhǎng)發(fā)育。在黑暗條件下，植物呈現(xiàn)下胚軸快速伸長(zhǎng)，子葉閉合的表型，而在光下其下胚軸伸長(zhǎng)受到抑制，子葉展開，這個(gè)過程稱為光形態(tài)建成［37］。NFYCs（NUCLEAR FACTOR-Y，subunit C）類轉(zhuǎn)錄因子和ARP6互作促進(jìn)H2A.Z以光依賴的方式在一些生長(zhǎng)素相關(guān)基因如IAA6（INDOLE-3-ACETIC ACID INDUCIBLE 6） 和 IAA19（INDOLE-3-ACETIC ACID INDUCIBLE 19）上富集并抑制它們的表達(dá)，從而阻止下胚軸伸長(zhǎng)（圖2）［38］。此外，INO80通過組裝 H2A.Z到 HY5（ELONGATED HTPOCOTYL 5）等光誘導(dǎo)基因上，抑制基因轉(zhuǎn)錄［21］。在藍(lán)光下，藍(lán)光受體 CRY1（CRYPTOCHROMES 1）和 CRY2 抑制擬南芥的下胚軸伸長(zhǎng)，促進(jìn)光形態(tài)建成［39］。研究發(fā)現(xiàn)CRY1和CRY2以藍(lán)光依賴的方式與SWR1復(fù)合體的亞基SWC6和ARP6互作，介導(dǎo)H2A.Z在HY5的靶基因如 EXP2（EXPANSIN 2），IAA19和XTH33（XYLOGLUCAN ENDOTRANSGLUCOSYLASE/HYDROLASE 33）上的富集，抑制基因表達(dá)和下胚軸伸長(zhǎng)。同時(shí)，HY5與SWC6和ARP6之間也存在相互作用，促進(jìn)H2A.Z在HY5的靶基因上的富集，抑制這些基因的表達(dá)，促進(jìn)擬南芥在藍(lán)光下的形態(tài)建成［40］。擬南芥在紅光下，其下胚軸伸長(zhǎng)被抑制，而遠(yuǎn)紅光能促進(jìn)下胚軸的伸長(zhǎng)，激發(fā)植物庇蔭反應(yīng)。紅光受體phyB（phytochrome B）和SWC6及ARP6以紅光依賴的方式互作，促進(jìn)H2A.Z在YUC9（YUCCAA9）上的富集，抑制基因的表達(dá)和下胚軸伸長(zhǎng)［40-41］。在低紅光/遠(yuǎn)紅光條件下，INO80復(fù)合體通過和PIF7（PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR 7）蛋白互作，去除PIF7靶基因ATHB2（ARABIDOPSIS THALIANA HOMEOBOX PROTEIN 2）上的H2A.Z以激活其表達(dá)，促進(jìn)植物的庇蔭反應(yīng)［42］。植物對(duì)環(huán)境高溫的響應(yīng)通路與光信號(hào)通路存在相當(dāng)?shù)闹丿B［43］。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，H2A.Z在一些熱響應(yīng)基因上被快速去除，造成這些基因的表達(dá)發(fā)生變化，促進(jìn)擬南芥的熱形態(tài)建成［44］。在這一過程中，PIF4與INO80復(fù)合體直接互作，在PIF4靶基因上將H2A.Z去除，激活其靶基因的表達(dá)［20］。INO80復(fù)合體還與催化H3K4me3的蛋白復(fù)合體COMPASS及轉(zhuǎn)錄延伸因子直接互作，從而在高溫下促進(jìn)PIF4靶基因上的 H3K4me3 和轉(zhuǎn)錄延伸［20，45］。因此，INO80復(fù)合體連接了H2A.Z的去除和轉(zhuǎn)錄激活。

圖2 H2A.Z在擬南芥光溫調(diào)控中的作用Fig.2 Role of H2A.Z in photomorphogenesis，shade avo-idance and thermomorphogenesis of A.thaliana

在擬南芥之外，H2A.Z在其它植物環(huán)境響應(yīng)中的作用也有報(bào)道。在水稻正常生長(zhǎng)條件下，H2A.Z在一些磷響應(yīng)基因的body上富集，抑制這些基因表達(dá)，在缺磷條件下，這些基因上的H2A.Z被去除，激活磷響應(yīng)基因的表達(dá)［46］。二穗短柄草（Brachypodium distachyon）是單子葉作物的模式植物之一，生殖生長(zhǎng)期的二穗短柄草在經(jīng)歷環(huán)境溫度升高時(shí)，H2A.Z在響應(yīng)相關(guān)基因上的富集降低，但在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期經(jīng)歷環(huán)境高溫時(shí)，H2A.Z的富集卻沒有明顯的變化［47］。在白菜（Brassica rapa）中，環(huán)境高溫可以促進(jìn)H2A.Z在成花素基因FT（FLOWERING LOCUS T）上的富集，從而抑制FT的表達(dá)，導(dǎo)致白菜晚花［48］。在22℃條件下，番茄h2a.z突變體和野生型的株高和單株重量沒有明顯差別，但在17℃條件下，h2a.z突變體的株高和單株重量明顯低于野生型，表明H2A.Z可能參與調(diào)控番茄的低溫響應(yīng)［49］。

1.2 組蛋白變體H2A.X

H2A.X是一類在DNA損傷修復(fù)中發(fā)揮功能的H2A變體，其主要通過磷酸化的方式行使功能［50］。H2A.X與其它H2A變體的主要區(qū)別是其C末端結(jié)構(gòu)域有一個(gè)SQEF基序，而其L1 loop和replicative H2A相同，都含有一個(gè)KYAE的保守基序。H2A.X的docking結(jié)構(gòu)域和replicative H2A的docking結(jié)構(gòu)域也相似，主要負(fù)責(zé)和H3-H4的結(jié)合，因此docking結(jié)構(gòu)域在H2A.X和H2A之間高度保守［3］。H2A.X在常染色質(zhì)和異染色質(zhì)均有分布（圖1）［51］。H2A.X在動(dòng)植物中發(fā)揮相似的功能，當(dāng)DNA發(fā)生損傷時(shí)，H2A.X的SQEF基序上的絲氨酸被磷酸化，招募DNA損傷修復(fù)因子參與DNA的損傷修復(fù)［52］。在動(dòng)物中，H2A.X由組蛋白的分子伴侶FACT（facilitates chromatin transcription）復(fù)合體組裝到染色質(zhì)上［53］，但植物中H2A.X的組裝機(jī)制還未有報(bào)道。

1.3 組蛋白變體H2A.W

H2A.W是植物特有的一類組蛋白變體，和其它H2A不同的是H2A.W的C端較長(zhǎng)，并且其C端含有一個(gè)KSPKK基序，而L1 loop含有RYA/SQ/K的基序，此外其docking結(jié)構(gòu)域典型的特點(diǎn)是其它H2A上保守的谷氨酰胺和絲氨酸被亮氨酸和甘氨酸替代，形成 VLLAI/VRNDEELGKLL的基序［3］。H2A.W 主要分布在異染色質(zhì)區(qū)（圖1），并能促進(jìn)異染色質(zhì)的濃縮。H2A.W 和異染色質(zhì)的標(biāo)記H3K9me2共定位，但是在H3K9me2甲基轉(zhuǎn)移酶KRYPTONITE（KYP），SUVH5 和SUVH6的突變體 kyp；suvh5；suvh6中，H2A.W仍然定位于異染色質(zhì)區(qū)，表明H2A.W在異染色質(zhì)區(qū)的裝配可能不依賴于H3K9me2。此外，H2A.W的突變也不影響H3K9me2在異染色質(zhì)的定位［51］。在異染色質(zhì)區(qū)，H2A.W和H1協(xié)同調(diào)控異染色質(zhì)的可及性和DNA甲基化，同時(shí)H2A.W能夠拮抗 H1在異染色質(zhì)上的組裝，從而抑制異染色質(zhì)的過度濃縮，保持轉(zhuǎn)座子上適當(dāng)?shù)募谆剑?4］。研究表明染色質(zhì)重塑因子DDM1（decrease in DNA methylation）通過其H2A.W結(jié)合結(jié)構(gòu)域?qū)2A.W組裝到可移動(dòng)的轉(zhuǎn)座子上，沉默轉(zhuǎn)座子使其不能自由移動(dòng)而維持基因組的穩(wěn)定性［55］。此外，擬南芥3個(gè)H2A.W的成員之一H2A.W.7在其C端含有一個(gè)SQ基序，在DNA損傷時(shí)其絲氨酸被ATM（ataxiatelangiectasia，mutated）磷酸化，從而發(fā)揮類似H2A.X的功能，促進(jìn)異染色質(zhì)區(qū)域DNA的損傷修復(fù)［56］。

2 組蛋白H3變體

2.1 CenH3

在植物中，組蛋白H3存在多種變體，主要包括H3.1、H3.3和CenH3。CenH3的序列與H3.1和H3.3差別較大，尤其是在N端［57］。而CenH3 C端折疊區(qū)域的差異使CenH3被特異的沉積到著絲粒區(qū)域（圖1），在細(xì)胞分裂時(shí)紡錘體的形成和染色體的正常分離中發(fā)揮重要功能［58-59］。有研究表明，CenH3 的C端就足以在有絲分裂期使其定位到著絲粒，但不能夠支持其在減數(shù)分裂時(shí)的正常定位，從而導(dǎo)致減數(shù)分裂異常和種子發(fā)育缺陷，說明CenH3的 N端參與維持植物正常育性［60］。CenH3是著絲粒形成和動(dòng)粒組裝的關(guān)鍵組分，擬南芥中CenH3的N端與動(dòng)粒蛋白（CENP-C或MIS12）融合表達(dá)后，可以在非著絲粒位點(diǎn)招募其它動(dòng)粒組分，形成新的著絲粒［61］。此外，由于對(duì)CenH3改造造成其功能弱化后能誘導(dǎo)產(chǎn)生單倍體，因此在育種領(lǐng)域極具發(fā)展前景。目前在擬南芥、小麥和玉米等中依賴于CenH3改造的單倍體誘導(dǎo)技術(shù)已被報(bào)道［62-64］。通過CenH3誘導(dǎo)單倍體有多種方式，包括：（1）將擬南芥CenH3 的N端替換為H3.3的N端，并在N端添 加 GFP（GREEN FLUORESCENT PROTEIN） 標(biāo)簽［62］；（2）在擬南芥、大麥和甜菜的CenH3的C端CATD結(jié)構(gòu)域（centromere-targeting domain）產(chǎn)生點(diǎn)突變［65-66］；（3）將擬南芥CenH3替換為近緣物種（如Lepidium oleraceum、Brassica rapa） 的 CenH3［67］；（4）在小麥中代表性單倍體誘導(dǎo)株系G23的 B和D亞基因組中的CenH3α被敲除，A亞基因組中的CenH3α的C端氨基酸序列被保留的同時(shí)，其N端發(fā)生氨基酸突變［63］；（5）在玉米中利用基因編輯技術(shù)使CenH3發(fā)生移碼突變而提前終止翻譯，進(jìn)而產(chǎn)生cenh3突變，其雜合植株（+/-）與野生型植株雜交可以產(chǎn)生單倍體后代［64］。

2.2 H3.1和H3.3

高等植物的H3.1和H3.3只有4個(gè)氨基酸的差別：在第31位（Ala vs Thr）、第41位（Phe vs Tyr）、第 87位（Ser vs His）和第 90位（Ala vs Leu）［68］。H3.1和H3.3的差異從綠藻到開花植物逐漸進(jìn)化而來，但在部分綠藻中只存在一種與H3.3序列和組裝方式更相似的H3，說明H3.3可能比H3.1更保守［69-70］。H3.1與H3.3在動(dòng)植物中單獨(dú)進(jìn)化產(chǎn)生，但它們氨基酸的變異位置和類型在動(dòng)植物中基本相似，表明H3.1和H3.3在動(dòng)植物中的進(jìn)化具有趨同性［68］。

在氨基酸序列之外，H3.1和H3.3在表達(dá)模式、染色質(zhì)組裝和分布等多方面都存在較大差異。首先，H3.1主要在細(xì)胞周期S期表達(dá)；而H3.3在細(xì)胞周期的各個(gè)時(shí)期都能表達(dá)［71-72］。其次，H3.1-H4二聚體被ASF1（anti-silencing factor 1）傳遞給特異的分子伴侶CAF1（chromatin assembly factor 1）復(fù)合體，其在DNA復(fù)制或修復(fù)時(shí)與定位在DNA復(fù)制叉上的蛋白PCNA（PROLIFERATING CELL NUCLEAR ANTIGEN）相互作用，進(jìn)而將H3.1組裝到新合成的DNA上；而H3.3-H4二聚體則被ASF1傳遞給特異的分子伴侶HIRA復(fù)合體，以非復(fù)制依賴的方式在DNA轉(zhuǎn)錄或修復(fù)時(shí)組裝到染色質(zhì)上［73-74］。動(dòng)物的H3.3還能通過ATRX（alpha thalassemia/mental retardation syndrome X-linked）-DAXX（death-domain associated protein）進(jìn)行染色質(zhì)組裝，植物中具有保守的ATRX蛋白，但是缺乏DAXX的同源蛋白［75-77］。此外，擬南芥中的研究表明，H3.1主要分布在著絲粒附近的異染色質(zhì)區(qū)域，而H3.3主要在常染色質(zhì)區(qū)分布（圖1）［78］。在擬南芥中，H3.3在基因的3'端富集，且富集程度與基因表達(dá)水平正相關(guān)，這與RNA聚合酶II在基因上的富集趨勢(shì)相似，表明H3.3可能與基因的轉(zhuǎn)錄激活相關(guān)，而H3.1并沒有這種趨勢(shì)［79］。此外，H3.3還在一些基因的啟動(dòng)子區(qū)富集，啟動(dòng)子區(qū)H3.3的富集水平與基因表達(dá)水平并沒有相關(guān)性，但這些基因的轉(zhuǎn)錄更容易受到調(diào)控［80］。

H3.1作為DNA復(fù)制時(shí)染色質(zhì)組裝的組蛋白供體之一，在細(xì)胞分裂時(shí)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和表觀遺傳標(biāo)記的維持中發(fā)揮重要作用［81］。在DNA復(fù)制后，攜帶有組蛋白修飾的母本組蛋白與新合成的缺乏修飾的組蛋白都會(huì)組裝到子代DNA上，導(dǎo)致染色質(zhì)上的表觀遺傳修飾被稀釋［82］。研究表明，植物特有的甲基轉(zhuǎn)移酶ATXR5/6（ARABIDOPSIS TRITHORAXRELATED PROTEIN 5/6）能特異識(shí)別H3.1，并在H3.1上催化產(chǎn)生抑制型修飾H3K27me1，進(jìn)而幫助H3K27me1水平的恢復(fù)和異染色質(zhì)的維持［83-84］。ATXR5/6特異識(shí)別 H3.1與其 31位特有的丙氨酸有關(guān)，而植物H3.3上第31位的蘇氨酸會(huì)抑制ATXR5/6的活性［84］。H3.1的減少除了造成H3K27me1水平降低，還會(huì)造成H3K27me3的降低，并且H3.3或H3.1A31T 均不能回補(bǔ)該表型，表明H3.1上的H3K27me1可能幫助H3K27me3的維持［85］。在S期，ATXR5/6和H3K27me3的甲基轉(zhuǎn)移酶PRC2都在復(fù)制位點(diǎn)定位，因此PRC2可能與ATXR5/6在復(fù)制位點(diǎn)協(xié)同催化H3K27me3，使其恢復(fù)至母本水平［85-86］。近期研究發(fā)現(xiàn)，ATXR5/6在H3.1上催化的H3K27me1能夠抑制組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶GCN5催化激活型修飾H3K27ac和H3K36ac，從而維持轉(zhuǎn)錄抑制［87］。

在動(dòng)物中，H3.3的丟失會(huì)造成胚胎發(fā)育的缺陷。在小鼠胚胎干細(xì)胞中H3.3促進(jìn)發(fā)育相關(guān)基因啟動(dòng)子區(qū)核小體的交換速率和H3K27me3的富集，進(jìn)而影響胚胎干細(xì)胞染色質(zhì)環(huán)境的建立和細(xì)胞分化［88］。非洲爪蟾的研究中發(fā)現(xiàn)，H3.3第31位絲氨酸的磷酸化能順式促進(jìn)H3K27ac的建立，為胚胎發(fā)育提供合適的染色質(zhì)環(huán)境［89］。H3.3在植物中的功能目前還只有較少研究。根尖分生區(qū)細(xì)胞停止分裂進(jìn)入內(nèi)復(fù)制循環(huán)和分化階段伴隨著大量的H3.1被H3.3代替［90］。此外，氣孔細(xì)胞系進(jìn)行最后一次細(xì)胞分裂產(chǎn)生保衛(wèi)細(xì)胞時(shí)也伴隨著大量的H3.3組裝進(jìn)入染色質(zhì)，且該過程可能會(huì)促進(jìn)H3K27me3的重編程［90-91］。因此，H3.3可能調(diào)控細(xì)胞分化時(shí)的表觀遺傳重編程。擬南芥H3.3敲低后產(chǎn)生的異常表達(dá)基因大多發(fā)生下調(diào)，且富集在多種環(huán)境響應(yīng)的通路上，說明H3.3可能在環(huán)境響應(yīng)基因的激活中發(fā)揮重要作用［92］。H3.3還能維持基因body上DNA的CG甲基化，并抑制H2A.Z和 H1在基因body區(qū)的富集［92］。此外，H3.3促進(jìn)激活型修飾H3K4me3和H3K36me3在開花抑制因子FLC上的建立和FLC位點(diǎn)gene loop的形成，進(jìn)而促進(jìn)FLC的表達(dá)以抑制擬南芥開花［93］。

2.3 其它H3變體

除了以上主要的H3變體，擬南芥中還存在一些非典型的H3變體，其中H3.15 在愈傷組織的形成中發(fā)揮重要作用［94］。組織損傷會(huì)快速誘導(dǎo)H3.15在傷口附近的表達(dá)，由于H3.15的第27位為組氨酸而非賴氨酸，導(dǎo)致H3.15上無(wú)法催化產(chǎn)生H3K27me3，因此H3.15的組裝會(huì)造成染色質(zhì)上H3K27me3的稀釋，進(jìn)而導(dǎo)致愈傷形成相關(guān)基因的去抑制，促進(jìn)愈傷組織的形成和組織再生［94］。另一個(gè)變體H3.10在擬南芥精細(xì)胞的表觀遺傳重編程中發(fā)揮重要功能［95］。H3.10作為精細(xì)胞特異表達(dá)的組蛋白變體，在精子染色質(zhì)中大量積累，但H3.10的第27位賴氨酸附近氨基酸的變異導(dǎo)致H3.10上無(wú)法添加H3K27me1和H3K27me3，造成H3K27me3的大規(guī)模丟失，進(jìn)而促進(jìn)與精子分化相關(guān)基因的表達(dá)和染色質(zhì)狀態(tài)的表觀重編程［95-96］。父本染色質(zhì)攜帶的H3.10在受精完成后幾個(gè)小時(shí)內(nèi)迅速在合子染色質(zhì)中被去除，這一過程伴隨著H3.3的重新合成和組裝，并有可能與此階段合子基因組的激活有關(guān)［96-98］。

3 組蛋白H2B變體

相比于H2A和H3的變體，H2B的變體在植物中研究相對(duì)較少。相對(duì)于其他組蛋白家族，植物中H2B變體之間的序列差別較大，而且這種差別主要集中在N端。除了序列的差別外，一些H2B變體也存在特異的表達(dá)模式，擬南芥的H2B.S特異在精細(xì)胞和成熟胚胎細(xì)胞中高表達(dá)。這兩類細(xì)胞的染色質(zhì)均高度濃縮，暗示H2B.S的組裝可能有利于染色質(zhì)的濃縮。H2B.S的序列與其它H2B差別較大，并且有一段延長(zhǎng)的N端。類似的H2B在水稻、玉米和番茄等植物中均存在，且也在成熟種子中特異表達(dá)，但是并不在精細(xì)胞中表達(dá)［99-100］，表明擬南芥的H2B.S可能額外進(jìn)化出了精細(xì)胞的表達(dá)模式。

對(duì)擬南芥營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期表達(dá)的H2B成員的分析表明，盡管大部分H2B均在分裂旺盛的組織中表達(dá)，H2B.3卻在已分化組織中高表達(dá)，這種表達(dá)模式與H3.3相似。染色質(zhì)定位分析也發(fā)現(xiàn)相對(duì)于其它H2B，H2B.3在常染色質(zhì)區(qū)富集較高，而在異染色質(zhì)區(qū)則較低，并且H2B.3傾向于與H2A.Z和H3.3形成核小體，這些結(jié)果表明H2B.3是一個(gè)非復(fù)制依賴型的組蛋白變體［99］?？傮w而言，植物中H2B變體的研究尚處于起步階段，還有待對(duì)它們的具體功能進(jìn)行進(jìn)一步分析。

4 組蛋白H1變體

接頭組蛋白H1具有較短的N端、GH1（central globular）結(jié)構(gòu)域和無(wú)序且富含賴氨酸的C端［101］。H1能通過其保守的GH1結(jié)構(gòu)域結(jié)合核小體，并通過C端結(jié)合接頭DNA并拉近相鄰的核小體使染色質(zhì)壓縮［102］。

擬南芥中的H1存在3種變體：H1.1、H1.2和H1.3，其中 H1.1和H1.2作為主要的H1供體，序列相似且在植物中廣泛表達(dá)［103］。H1.1和H1.2主要在異染色質(zhì)區(qū)域以及基因body上富集（圖1），與基因的表達(dá)和H3K4me3負(fù)相關(guān)［104］。H1.1和H1.2可能通過調(diào)節(jié)染色質(zhì)的可及性來阻止DNA甲基轉(zhuǎn)移酶接觸DNA，進(jìn)而維持異染色質(zhì)區(qū)DNA的甲基化水平，防止過高的甲基化［105］。前期研究還發(fā)現(xiàn)，H3.3抑制H1的組裝，所以H3.3與H1的拮抗關(guān)系可能在染色質(zhì)的可及性和轉(zhuǎn)錄調(diào)控中發(fā)揮重要功能［92］。而H1.3在非脅迫條件下僅在一部分類型的細(xì)胞如保衛(wèi)細(xì)胞中表達(dá)，但弱光、干旱等脅迫或ABA會(huì)誘導(dǎo)H1.3在其他組織中大量表達(dá)，參與植物環(huán)境脅迫響應(yīng)［104］。H1.3同樣在異染色質(zhì)區(qū)和基因body上富集，但與基因表達(dá)和H3K4me3負(fù)相關(guān)的程度弱于H1.1和 H1.2［104］。相對(duì)于 H1.1和 H1.2，H1.3的 N 端和C端都更短，且缺乏增強(qiáng)與DNA結(jié)合的（S/T）PXK基序，導(dǎo)致H1.3與染色質(zhì)的結(jié)合更不穩(wěn)定［104］。研究還發(fā)現(xiàn)，脅迫誘導(dǎo)DNA甲基化程度的升高是依賴H1.3的，被脅迫誘導(dǎo)表達(dá)的H1.3可能會(huì)競(jìng)爭(zhēng)H1.1和H1.2的結(jié)合位點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)與DNA結(jié)合能力的不同可能會(huì)改變?nèi)旧|(zhì)的可及性［104］。

擬南芥中3個(gè)H1都突變會(huì)造成種子休眠、早花、側(cè)根數(shù)目變多等多種發(fā)育缺陷的表型［106］。研究發(fā)現(xiàn)，H1不僅是異染色質(zhì)形成所必須的，還會(huì)抑制常染色質(zhì)區(qū)核小體的密度和流動(dòng)性，并影響H3K9ac、H3K27me3和 H3K4me3的水平［106］。但 H1全部突變后只會(huì)影響一小部分TE和基因的表達(dá)，所以在正常生長(zhǎng)條件下，大部分基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控并不會(huì)被H1所介導(dǎo)的核小體狀態(tài)和染色質(zhì)結(jié)構(gòu)影響［106］。

5 總結(jié)和展望

組蛋白變體在表觀遺傳調(diào)控中發(fā)揮著重要的作用，盡管目前對(duì)植物組蛋白變體本身的性質(zhì)和功能已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)牧私?，但是仍然存在一定的局限。例如，目前的研究主要集中于H2A家族，對(duì)其它家族中變體的功能還缺乏系統(tǒng)性的研究。

組蛋白變體在表觀遺傳調(diào)控中發(fā)揮著重要的功能，組蛋白的翻譯后修飾也在表觀遺傳介導(dǎo)的植物生長(zhǎng)發(fā)育和環(huán)境響應(yīng)中發(fā)揮重要作用［107-108］。一些組蛋白變體與組蛋白修飾存在相似的染色質(zhì)定位，但是組蛋白變體是如何與組蛋白修飾互作并協(xié)同參與表觀遺傳調(diào)控的，還有待進(jìn)一步研究。此外，雖然研究發(fā)現(xiàn)染色質(zhì)重塑因子在組蛋白變體的染色質(zhì)組裝和去除中發(fā)揮重要作用，但它們的具體功能和招募機(jī)制仍不清楚。

植物中存在一些細(xì)胞特異性的組蛋白變體如H3.10和H2B.S，由于其在特定的組織中表達(dá)且含量較低，較難利用常規(guī)的方法進(jìn)行研究。單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)、空間組學(xué)和微量染色質(zhì)免疫共沉淀方法（如CUT&Tag）的發(fā)展，將能夠幫助更好的理解細(xì)胞特異性組蛋白變體的功能。此外，這些方法也將有助于在單細(xì)胞層面揭示組蛋白變體富集和定位的動(dòng)態(tài)變化及其對(duì)染色質(zhì)活性和細(xì)胞功能的影響。

相較于模式植物，作物的基因組更加復(fù)雜。因此復(fù)雜基因組作物中的染色質(zhì)調(diào)控及組蛋白變體的功能可能與模式植物存在較大差異。目前植物中組蛋白變體的研究主要集中于模式植物，而在作物中研究較少。近年來高通量測(cè)序技術(shù)的革新，極大促進(jìn)了復(fù)雜基因組作物中的染色質(zhì)調(diào)控研究。作物中組蛋白變體功能的研究將有助于進(jìn)一步揭示復(fù)雜基因組的染色質(zhì)調(diào)控機(jī)理和表觀遺傳調(diào)控在重要作物相關(guān)性狀中的作用，為利用表觀遺傳調(diào)控進(jìn)行作物改良提供基礎(chǔ)。