Abstract

I. 简介

II. 核小体

III. 组蛋白

III.1. 核心组蛋白

III.2. 接头组蛋白

IV. 染色质组装的一般步骤

V. 染色质组装过程中基本成分的变化

VI. 刺激性组装因素

VI.1. 组蛋白相互作用因素

VI.2. 重塑复合体和组蛋白修饰酶

VII. 基因组在细胞核中的组织

Content

I- 简介

      在真核细胞中，遗传物质被组织成由DNA和蛋白质组成的复杂结构，并定位在一个专门的隔间-细胞核中。这种结构称为染色质（源自希腊语“ khroma”，表示有色的，“ soma”表示主体）。每个细胞中将近两米长的DNA必须组装成一个直径约为几微米的小核。尽管有如此巨大的压缩度，但DNA必须能够快速访问，以使其与调节染色质功能的蛋白质机制相互作用：

• 复制
• 修复
• 重组

      因此，染色质结构的动态组织可能会影响基因组的所有功能。

      染色质的基本单位，称为核小体，由DNA和组蛋白组成。这种结构提供了DNA进入细胞核的第一级功能。核小体沿基因组规则排列，形成核丝，可采用更高水平的紧实度（图1和图3），最终形成高度浓缩的中期染色体。在间期染色质核内被组织成功能区。

染色质已被分为：

• 常染色质
• 异染色质

      异染色质被定义为在整个细胞周期中其压缩过程中不发生改变的结构，而常染色质在间期会被压缩。异染色质主要位于核的外围，而常染色质位于核质的内部。我们可以区分：

• 组成型异染色质，几乎不含基因，主要由位于与着丝粒和端粒一致的大区域的重复序列组成，来自
• 兼性异染色质，由可采用异染色质的结构和功能特征的转录活性区域组成，例如哺乳动物的非活性X染色体。

      在这篇综述中，我们将定义染色质的成分，并概述从核小体到细胞核结构域的染色质组织的不同水平。

      我们将讨论染色质基本成分的变化如何影响其活性，以及刺激因素如何在赋予这种动态结构多样性方面起关键作用。

      最后，我们将总结染色质如何在细胞核水平上影响基因组的组织构造。

II-核小体

      将组装成染色质的DNA进行部分消化，产生长度为180-200个碱基对的片段，这些片段可通过电泳迁移进行解析。染色质结构的这种规律性随后通过电子显微镜分析得到了证实，该分析揭示了染色质为规则间隔的颗粒或“串珠”。基于它们的质量，发现核小体中DNA和组蛋白的化学计量为1/1。

核小体是染色质的基本单位。它由以下组成：

• 一个核心粒子
• 一个连接相邻核心颗粒的连接子区域（或核小体区域）（图1）。

      核心粒子在物种之间是高度保守的，将DNA的146对碱基对以左手螺旋缠绕在核心颗粒表面，约1.7圈，每个组蛋白八聚体由2个核心组蛋白H3，H4，H2A和H2B构成。

      然而，接头区域的长度在物种和细胞类型之间是不同的。在该区域内合并了可变接头组蛋白。因此，核小体中DNA的总长度可能随物种从160到241个碱基对的变化。

      分析表明，首先，缠绕在组蛋白八聚体上的DNA扭曲，其次，组蛋白/ DNA和组蛋白/组蛋白通过其“组蛋白折叠域”相互作用形成了类似握手的构型。

图1 核小体和染色体的定义要素

III-组蛋白

III-1 核心组蛋白

    核心组蛋白H3，H4，H2A和H2B是在进化中高度保守的小的碱性蛋白（图2）。这些组蛋白最保守的区域是它们的中央结构域，结构上由“组蛋白折叠结构域”组成，“组蛋白折叠结构域”由被两个环区域隔开的三个α-螺旋组成。相比之下，每个核心组蛋白的N末端尾巴变化更大，结构更松散。尾巴特别富含赖氨酸和精氨酸残基，使它们极为碱性。该区域是许多翻译后修饰的位点，这些修饰被认为用来修饰其电荷，从而改变DNA的可及性以及与核小体的蛋白质/蛋白质相互作用。

    值得注意的是，其他与DNA相互作用的蛋白质也包含“组蛋白折叠结构域”

A、核小体组蛋白的结构。

B、核心组蛋白的氨基末端尾巴。数字表示氨基酸位置。标出了翻译后修饰（红色的ac =乙酰化位点；蓝色的p =磷酸化位点；绿色的m =甲基化位点；紫色的肋骨= ADP核糖基化）。

图2 核心组蛋白

III-2 接头组蛋白

      接头组蛋白与两个核小体核心之间的DNA接头区域相关联，与核心组蛋白不同，它们在物种之间不是很保守。在高级真核生物中，它们由三个结构域组成：与DNA相互作用必不可少的球形非极性中央结构域和两个非常基础的非结构化N-和C-末端尾巴，被认为是翻译后修饰的位点。接头组蛋白在间隔核小体中具有作用，并且可以通过在相邻核小体之间提供相互作用区域来调节更高阶的紧实度。

IV-染色质组装的一般步骤

      将DNA组装成染色质涉及一系列步骤，从基本单位的核小体的形成开始，最终形成核内特定区域的复杂组织。图3中示意性地描述了这种逐步组装。

• 第一步是将新合成的(H3-H4)2四聚体沉积到DNA上以形成亚核小体颗粒，然后添加两个H2A-H2B二聚体。

      这样产生的核小体核心颗粒由缠绕在组蛋白八聚体周围的146个碱基对的DNA组成。

      该核心颗粒和接头DNA一起形成核小体。

      新合成的组蛋白经过专门修饰（例如，组蛋白H4的乙酰化）。

• 下一步是成熟步骤，需要ATP建立核小体核心的规则间距以形成核丝。在这一步骤中，新结合的组蛋白被去乙酰化。
• 接下来，结合接头组蛋白伴随着将核丝折叠成30nm纤维，其结构尚待阐明。存在两个主要模型：螺线管模型和之字形。
• 最后，进一步的连续折叠事件导致细胞核的高水平组织和特定结构域。

      在上述每个步骤中，染色质组成和活性的变化都可以通过修饰其基本成分和组装和拆卸过程中涉及的刺激因子的活性来获得。

图3 染色质组装的一般步骤

组装从掺入H3 / H4四聚体开始（1），然后加入两个H2A-H2B二聚体（2）以形成核心颗粒。使用新合成的组蛋白经过特异性修饰；通常，组蛋白H4在Lys5和Lys12（H3-H4 *）处被乙酰化。成熟需要ATP建立规则的间隔，而组蛋白则被去乙酰化（3）。接头组蛋白的结合伴随着核丝的折叠。在这里，模型展示了一个螺线管结构，其中每个回旋中有六个核小体（4）。进一步的折叠步骤最终导致细胞核内定义一个域组织（5）。

V-基本成分的变化

在染色质组装的第一步中，基本粒子可能会发生变化：

• 在DNA水平上（例如通过甲基化）或
• 通过不同的翻译后修饰和整合变体形式（例如CENP-A，H3的变体）在组蛋白水平上表达。

      所有这些变化都能够在染色质的结构和活性上引入差异。图2所示的组蛋白尾巴的大量翻译后修饰（例如乙酰化，磷酸化，甲基化，泛素化，polyADP-核糖基化），以及它们与特定生物学过程的关联导致了一种被称为“组蛋白密码”的语言假说的提出，该假说标记了基因组区域（必须强调，该密码是有效的假设）。该代码被能够理解和解释特定修饰特征的其他蛋白质或蛋白质复合物“读取”。组蛋白变体的整合在基因组的特定结构域上可能很重要：在这种情况下，CENP-A，组蛋白H3的变体，与雌性哺乳动物非活性X染色体上的沉默着丝粒区域和macro H2A相关。H2A-X与DNA双链断裂区域中含有DNA修复因子的病灶的形成有关。越来越多的证据表明，H2A.Z在修饰染色质结构以调节转录中具有作用。

      在成熟阶段，接头组蛋白，非组蛋白染色质相关蛋白质，称为HMG（High Mobility Group）， 以及其他特定的DNA结合因子有助于分隔和折叠核丝。因此，组装的早期步骤可能会对特定核域中染色质的最终特征产生重大影响。

VI-刺激性组装因素

VI-1.组蛋白相互作用因素

      酸性因子可以与组蛋白形成复合物，并增强组蛋白沉积的过程。它们通过促进核小体核心的形成而充当组蛋白分子伴侣，而不是最终反应产物的一部分。这些组蛋白相互作用因子，也称为染色质装配因子，可以优先结合组蛋白的一个子集。

      例如，染色质组装因子-1（CAF-1）与新合成的乙酰化组蛋白H3和H4相互作用，在DNA复制过程中优先组装染色质。CAF-1还能够促进与DNA修复特异性偶联的染色质组装。CAF-1与PCNA（增殖细胞核抗原）蛋白相互作用的最新证明建立了染色质组装与DNA复制和修复过程之间的分子联系。 通过沉积变体组蛋白，例如CENP-A或端粒，在着丝粒区域的特殊结构的组装可能是由于尚未鉴定的组蛋白伴侣的特异性和多样性的结果。

VI-2 重塑复合体和组蛋白修饰酶

       刺激因子在染色质成熟阶段也起作用，以组织和维持确定的染色质状态。它们对染色质的影响可以在核小体水平上或更大的染色质区域上诱导构象的改变。这些因素有两种类型；一种需要ATP形式的能量，通常称为染色质重塑复合体，另一个则是翻译后修饰组蛋白的酶。

• 染色质重塑复合体：是多蛋白复合物（SWI / SNF，ISWI，Mi2 / NuRD家族）。ATPase的活性使复合物能够在ATP水解过程中通过能量释放来修饰核小体结构。对在染色质组装过程中刺激核小体规则排列的因素的研究导致鉴定了几种多蛋白复合物，这些复合物能够在体外沿DNA“滑动”核小体。这些染色质重塑因子的共同特征是它们的大尺寸和包括ATPase在内的多个蛋白质亚基，但是它们在丰度和活性上显示出差异。
• 翻译后修饰：已提出“组蛋白密码”假说来解释核内染色质活性的多样性。非结构化的N末端组蛋白尾巴延伸到核小体核心外部，并且是酶的作用位点，这些酶以高特异性催化其翻译后修饰。这些修饰的最充分的特征是赖氨酸残基的乙酰化。乙酰化是两个相对活性之间的平衡的结果：组蛋白乙酰转移酶（HAT）和组蛋白脱乙酰化（HDAC）（例如具有组蛋白乙酰转移酶活性的HAT A和组蛋白脱乙酰酶HDAC1）。在转录调节中起作用的许多蛋白质具有固有的组蛋白乙酰转移酶活性。同样，组蛋白脱乙酰基酶已被描述为与抑制性染色质相关的多蛋白复合物的组成部分。在这些复合物中，还存在Mi-2重塑因子家族，它们在染色质介导的阻抑过程中提供了核小体的重塑与组蛋白去乙酰化之间的联系。

       组蛋白的甲基化在功能上起重要作用。组蛋白甲基转移酶特异性地使组蛋白H3的赖氨酸残基9甲基化，这种甲基化修饰了H3与异染色质相关蛋白的相互作用。

       H3 N末端尾部相同残基（赖氨酸9）上的两个可能的修饰（乙酰化和甲基化）是“组蛋白密码”假设起作用的完美例证。实际上，H3和H4 N末端尾巴中的乙酰化赖氨酸选择性地与存在于具有固有组蛋白乙酰基转移酶活性的许多蛋白质中的染色体结构域相互作用。但是，在赖氨酸残基9上甲基化的H3与异染色质相关蛋白HP1的色域特异性相互作用。

      因此，除了在组蛋白尾巴的总电荷上产生改变（提议物理上破坏核小体的稳定性）外，修饰似乎还赋予了蛋白质与组蛋白相互作用的特异性。它们与基因组的不同区域相关，并与精确的核功能相关。

VII-核中基因组的组织

       染色质的压实程度越高，其特征越不明显。压紧核丝以形成30nm的纤维，将其组织成150至200 Kbp的折叠（相间为250nm），以在中期染色体（850nm）中获得最大的紧实度。

       在间期，基因组的组织依赖于染色体的结构，这些染色体已基于特定的带型被分成不同的区域。

主要带型为：

• 在S期后期复制的G和C带，分别对应于异染色质和
• 在S期较早复制且代表常染色质的R带。R条带富含乙酰化的组蛋白，并且这种修饰通过有丝分裂得以保留，这表明组蛋白的乙酰化可以充当通过细胞周期记忆域结构的标记。

       染色体在间期核中的定位表明，每个染色体都占据一个确定的空间。在哺乳动物中，细胞核中染色体的组织随细胞类型而变化。在间期中，根据其复制时间，将对应于中期染色体带的区域定位在核中：

• 在核外围的是较晚的复制区域，对应于G和C带以及转录沉默端粒
• 基因丰富的区域优先定位在内部。

       因此，尽管每个染色体占据不同的区域，但是染色体的不同部分可以结合形成功能域。FISH对重合区和非重合区的定位表明基因倾向于定位在染色体区域的表面。在基于某些基因定位的模型中，转录本释放到染色体间通道中，转移到加工位点，然后成熟后输出到细胞质中。

      多项研究提出了将核组织成域的提议。DNA在这些结构域中的定位可能部分是染色质活性的结果。靶向蛋白质可能有助于将专门的蛋白质带入细胞核的特定结构域。在一个假设模型中，与异染色质相关的蛋白质（例如HP1，Polycomb，Sir3p / Sir4p和ATRX），转录因子（例如Ikaros）和装配因子（例如CAF-1）都可能参与建立和维护核域。

表修订是HMG染色体蛋白质命名法

缩写列表

ATP：三磷酸腺苷

C端：羧基端

CAF-1：染色质组装因子-1

CENP-A：着丝粒蛋白-A

HAT：组蛋白乙酰转移酶

HDAC：组蛋白去乙酰化酶

HMG：高迁移率族

HP1：异染色质蛋白1

N端：氨基端

PCNA：增殖细胞核抗原

SWI / SNF：交配型转换/蔗糖不发酵复合体

定义列表

染色质：是遗传信息的载体。它是由DNA和蛋白质组成并位于细胞核中的复杂结构。

染色质重塑复合体：需要ATP形式的能量，并在核小体水平或更大的染色质结构域上更广泛地诱导构象变化。

组成型异染色质：主要由重复序列组成，几乎没有基因。它通常位于着丝粒和端粒重合的大区域。

常染色质：表示在间期缩合的染色质。

兼性异染色质：由具有异染色质结构和功能特征的转录活性区域组成。

G，C和R带：对应于中期染色体的条带组织。

异染色质：是一种浓缩的染色质，在整个细胞周期中其浓缩不会改变。

组蛋白分子伴侣：是可以与组蛋白形成复合物并增强组蛋白沉积过程的酸性因子。它们通过促进核小体核心的形成而充当组蛋白分子伴侣，而不是最终反应产物的一部分。

组蛋白密码：是一种语言的假设，与组蛋白尾巴的大量翻译后修饰及其与特定生物学活动的联系有关。这些修饰的组蛋白之间相互作用的功能意义是深入研究的主题。该代码被能够理解和解释特定修饰特征的其他蛋白质或蛋白质复合物“读取”。

HMG（High Mobility Group）蛋白：是非组蛋白染色质相关蛋白质。这些DNA结合蛋白可以帮助间隔和折叠核丝。

核小体：是染色质的基本单位。它由DNA和组蛋白组成。它提供了将DNA压实到细胞核的第一级功能。