染色质重塑酶：驯服机器

摘要

介绍

在真核细胞周期的间期，大量DNA被组装成高度折叠的100-400纳米核蛋白丝。由于高度保守的染色质“重塑”酶的作用，DNA介导的过程可以在这种环境中发挥作用。一类染色质重塑因子包括一系列相关的ATP依赖性复合物，这些复合物利用ATP水解的能量来增强核小体DNA的可及性(维格纳利等2000年). 根据其生化特性和ATP酶亚基的整体序列相似性，该家族可进一步细分为三类：（i）SWI–SNF组；（ii）ISWI集团；和（iii）Mi-2/CHD组（图​（图1；1;博伊尔等2000年). 然而ISWI-like和Mi-2-like亚群的许多成员似乎致力于转录抑制途径(凯勒等., 1998;多伊林等2000年)，大多数SWI–SNF样酶在转录激活中发挥作用。与这些转录作用相反，一些基于ISWI的酶，如ACF，可能在核小体组装中发挥关键作用(伊藤等., 1997)，和其他家族成员可能促进其他多种基于染色质的过程，如同源重组和DNA修复(彼得森，1996年).

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图1。ATP依赖性染色质重塑复合物的三个亚类。这里显示的是在人类细胞中发现的染色质重塑酶的SWI–SNF、ISWI和Mi-2/CHD亚类的代表性成员。描述的子单位组织仅用于说明目的（有关审查，请参阅维格纳利等2000年).

操作机器

在ATP-依赖性重塑酶的情况下，“染色质重塑”指许多在体外染色质底物中的ATP依赖性变化，包括核小体内组蛋白-DNA接触的中断，组蛋白八聚体的运动顺式和在trans中环状小染色体的负超螺旋丢失，核小体DNA对转录因子和限制性内切酶的可及性增加(彼得森和沃克曼，2000年).体内，SWI–SNF样酶可以帮助DNA弯曲蛋白促进核小体滑动，以及驱动Z-DNA结构的形成(线路接口单元等., 2001;Lomvardas和Thanos，2001年). 最近的遗传学和生物化学研究也表明SWI–SNF可能破坏高阶染色质折叠(克雷布斯等2000年;喇叭等2002年).

这些酶是如何催化这些不同的事件的？ATP依赖性重塑的早期模型侧重于核小体组蛋白成分的变化。例如，SWI–SNF样酶被提议利用ATP水解的能量来驱动组蛋白H2A–H2B二聚体中一个或两个的去除(彼得森和塔姆昆，1995年). 后来，Hayes和Kingston提出了另一种模型，在该模型中二聚体可能不会丢失，但会发生剧烈重排，从而产生一种新的“重塑”核小体构象(李等., 1999). 然而，鉴于最近的研究表明组蛋白-组蛋白交联不会阻止甚至减缓重塑速度，这些类型的模型似乎不太可能出现(科特等., 1998;博伊尔等2000亿). 相反，现在有越来越多的证据表明，ATP依赖性重塑可能涉及（也许仅限于）核小体DNA拓扑结构的改变。例如，Owen-Hughes和同事证明ATP-依赖性重塑家族所有三个亚类的成员都使用ATP水解将超螺旋扭转引入染色质(哈瓦斯通讯社等2000年). 此外，SWI–SNF的作用被小而圆的染色质的限制性拓扑所阻断，这表明DNA拓扑的这种改变是重塑所必需的(加文等., 2001). 因此，机制研究现在集中在确定DNA拓扑结构是如何改变的。目前的模型表明ATP依赖性重塑可能涉及DNA追踪活动(哈瓦斯通讯社等2000年)，DNA沿其长轴旋转(博伊尔等2000亿)，或形成DNA凸起或小环(Langst和Becker，2001年;纳利卡尔等., 2001).

交付机器

鉴于其破坏染色质结构和水解数千个ATP分子的能力，ATP依赖性重塑酶受到严格控制就不足为奇了体内在过去几年中，大多数研究都集中于DNA位点特异性转录激活物或阻遏物对重塑酶的主动招募(彼得森和沃克曼，2000年). 例如，酵母SWI–SNF与几种活化剂的酸性活化域相互作用，这些接触可以靶向重塑活性在体外和体内同样，人类SWI–SNF也可以被许多激活物靶向，包括红细胞样kruppel-like因子（EKLF）、C/EBP-β、MyoD、热休克因子和一些类固醇受体。同样，转录抑制因子，如果蝇属驼背，可以招募重塑酶Mi-2亚类的成员。总的来说，序列特异性DNA结合蛋白对重塑活性的补充似乎是指导染色质结构局部变化的有效方法。

虽然重塑复合物的直接靶向在重新编程特定位点的染色质结构中起着重要作用，但细胞“屏蔽”染色体结构域免受叛变的重塑酶的影响也同样重要。例如，不适当的染色质重塑可能会导致DNA重组率的提高、染色体凝集的破坏或沉默基因的混杂转录激活。屏蔽基因组的一种方法是全局灭活酶。例如，人类SWI–SNF复合体的亚单位在有丝分裂期间被磷酸化，这与从凝聚染色体中去除复合体有关(Sif公司等., 1998). 最近的研究(邵等., 1999;弗兰西斯等., 2001;喇叭等2002年b月)也表明存在染色质“屏蔽”因子，阻止染色质纤维的ATP依赖性重塑。

制动机器：连接器组蛋白的全球角色

连接组蛋白是细胞染色质中普遍存在的成分，它限制核小体的进入/退出DNA，并将另一个～20 bp的DNA并入称为染色体的颗粒中。除了对核小体的基本结构产生这种影响外，连接子组蛋白还稳定核小体阵列的高阶折叠(卡拉瑟斯等., 1998). 一种可能性是，连接体组蛋白与核小体的结合可能抑制DNA拓扑中ATP依赖性的变化，这些变化是重塑活动的关键，并可能作为控制酶功能的手段。与这个想法一致，与单核小体底物相比，人SWI–SNF复合物在染色体上的活性显著降低(Hill和Imbalzano，2000年). 为了测试连接组蛋白是否会对重塑酶产生普遍的抑制作用，用或不用连接组蛋白重建核小体阵列，并用定量限制性内切酶可及性测定法测定酵母SWI-SNF、人SWI-SNF、ACF和Mi-2复合物的重塑活性(喇叭等2002年). 引人注目的是，连接蛋白组蛋白的掺入实际上消除了所有这些酶的活性。

连接蛋白组蛋白如何阻止ATP依赖性重塑？虽然连接体组蛋白限制核小体DNA，但它们也稳定了阵列的高阶折叠，因此抑制可能是由于酶无法结合折叠阵列所致。事实上，至少有一部分连接体组蛋白抑制被证明是由酶对染色质阵列的亲和力降低引起的(喇叭等2002年b月). 为了确定连接蛋白组蛋白是否也可以通过阵列内单个色质体的拓扑约束抑制重构，使用胰蛋白酶化核心组蛋白生成了第二组阵列。核心组蛋白的有限胰蛋白酶化去除组蛋白尾部，这对核小体和染色质阵列折叠至关重要(Fletcher和Hansen，1996年;卡拉瑟斯和汉森，2000年)，但不影响色素体的形成(卡拉瑟斯和汉森，2000年). 令人惊讶的是，即使在这些未折叠的底物上，连接组蛋白也能抑制SWI-SNF的重塑，尽管程度较低(喇叭等2002年b月). 有趣的是，将连接蛋白组蛋白并入胰蛋白酶化阵列并没有抑制SWI–SNF的结合。基于这些结果和对单个色质体的研究(Hill和Imbalzano，2000年)连接蛋白组蛋白似乎在两个水平上阻止染色质重塑：（i）连接蛋白组分染色质的浓缩状态抑制重塑复合物与纤维的结合；并且（ii）连接蛋白组蛋白与每个核小体的结合能够抑制染色质结合重构活性的催化功能。这些结果表明，在一个模型中，连接体组蛋白产生一个普遍抑制染色质环境，对ATP依赖的染色质重塑酶具有抑制作用。这种阻遏可以提供一种手段，使大的染色体结构域保持在中性染色质配置中，并屏蔽紧邻靶向染色质重塑活性结构域的染色质（图​（图22).

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图2。ATP依赖性染色质重塑的调节。(A类)序列特异性DNA结合蛋白（红色卵圆形）对重塑活性的招募。(B类)通过限制核小体DNA拓扑结构的染色质结合蛋白（蓝色卵形）抑制重塑活动。(C类)通过稳定核糖体阵列寡聚化的染色质屏蔽因子（蓝色椭圆）阻断染色质重塑酶的结合。

机器制动：开发控制

在连接蛋白组蛋白和蛋白质多梳群（PcG）成员的作用之间可以得出一些有趣的相似之处。PcG蛋白从苍蝇到哺乳动物都是保守的，它们是通过细胞分裂维持转录抑制模式所必需的(Pirrotta，1998年). 在果蝇属，PcG产物在发育过程中发挥重要作用，维持同源基因的转录沉默。在哺乳动物细胞中，PcG基因的产物对于控制细胞增殖至关重要。与连接体组蛋白的全球定位不同，PcG蛋白通过称为多梳反应元件（PRE）的DNA序列靶向特定的染色体区域。PcG蛋白如何维持转录抑制尚不清楚，但大多数模型认为它们通过染色质结构发挥作用。与这些模型一致，基因研究果蝇属已经表明，PcG蛋白通过拮抗三胸类蛋白的活性发挥作用，三胸类蛋白质包括果蝇属SWI–SNF（brm）重塑复合体。

最近，金斯顿及其同事从果蝇属胚胎(邵等., 1999). PRC1是巨大的（2-6 MDa），包含大量多肽亚基，包括四种已知的PcG蛋白（Pc、Psc、Ph和dRING1）、DNA-结合蛋白Zeste和几个TBP-相关因子(绍林等., 2001). 尽管PRC1的几个亚单位结合DNA，但PRC1似乎没有催化活性（例如ATP酶活性）(弗兰西斯等., 2001). 引人注目的是，PRC1与核糖体阵列的预孵育消除了人类SWI–SNF的重塑活性(邵等., 1999). 当SWI–SNF首先与阵列结合时，未观察到抑制作用；当两个复合物在加入阵列之前在溶液中预先培养时，PRC1也未抑制SWI–SNF。这些结果表明，PcG产物一旦被PRE招募到某个位点，可能会通过屏蔽染色质结构域而保持转录抑制模式。

连接蛋白组蛋白和PRC1是否使用类似机制阻止染色质重塑？连接组蛋白阻断SWI-SNF样酶与染色质的结合，以及染色质结合酶的活性。目前尚不清楚PRC1是否可以阻断SWI–SNF的催化活性，尽管PRC1的几个亚单位可以与DNA相互作用，并且可以想象，它可以充分限制核小体DNA拓扑结构，从而产生这样的效果。相反，染色质免疫沉淀分析清楚地证明了SWI–SNF阻止PRC1与染色质结合(弗兰西斯等., 2001). 就连接体组蛋白而言，SWI–SNF结合的抑制与连接体组分子驱动核小体阵列寡聚化的能力最为相关(喇叭等2002年b月). 这种染色质的高阶结构被认为是模拟纤维与纤维之间的相互作用，对染色质纤维的形成至关重要体内(弗莱彻和汉森，1996年;卡拉瑟斯等., 1998). 尽管PRC1确实在核小体的亚化学计量水平上抑制SWI–SNF，但PcG蛋白是否也会产生类似寡聚阵列的折叠结构尚不清楚(邵等., 1999)符合冷凝机理。此外，含有PRC1的染色质与寡聚染色质相似，因为它可以排除SWI–SNF，但不能排除限制性内切酶(卡拉瑟斯等., 1998;弗兰西斯等., 2001). 这些观察结果提出了一种有趣的可能性，即纤维-纤维相互作用的稳定性可能是染色质屏蔽蛋白的一个共同特征（图​（图22C） ●●●●。

视角

在过去几年里，注意力开始转向以ATP依赖性重塑机的调节为中心的研究。通过基因特异性转录阻遏物或激活物靶向重塑酶是一种控制ATP依赖性重塑复合物局部浓度的成熟方法。相比之下，我在这里创造的“染色质屏蔽”活动只有两个例子，似乎可以保护染色质结构域免受重塑。酵母Sir3p是该组新成员的一个有趣候选，它在酵母端粒和无声交配型位点建立异色结构中起着关键作用(Gasser和Cockell，2001年). 最近在体外研究表明，Sir3p可以驱动染色质结构的形成，这些结构具有寡聚核糖体阵列的几个特征(乔治尔等., 2001). 也许含Sir染色质的异色状态的一个功能是保护结构域免受ATP依赖性重塑机器的强大活性的影响。显然，随着我们进一步了解ATP依赖性重塑酶如何识别其染色质底物并改变DNA-组蛋白接触，我们很可能会发现许多控制这些活动的方法。

致谢

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