Abstract

异染色质，从染色体到蛋白质

Ⅰ 异染色质的概念

Ⅱ 两种异染色质

Ⅱ.1 结构性异染色质

Ⅱ.2 兼性异染色质

Ⅲ 异染色质的性质

Ⅲ.1 异染色质的固缩性

Ⅲ.2 异染色质DNA晚期复制

Ⅲ.3 异染色质DNA的甲基化

Ⅲ.4 异染色质组蛋白呈低乙酰化

Ⅲ.5 异染色质组蛋白在赖氨酸9上的甲基化

Ⅲ.6 异染色质无转录活性

Ⅲ.7 异染色质不参与基因重组

Ⅲ.8 异染色质呈聚集状态

Ⅳ 异染色质化的因素

Ⅳ.1 大量的串联重复

Ⅳ.2 DNA的甲基化

Ⅳ.3 组蛋白的低乙酰化

Ⅳ.4 H3-K9的甲基化

Ⅳ.5 HP1蛋白

Ⅳ.6 核内RNA

Ⅴ 异染色质的功能

Ⅴ.1 HC在核域组织中的作用

Ⅴ.2 HC在着丝粒功能中的作用

Ⅴ.3 HC在基因抑制中的作用（表观遗传调控）

Ⅵ 异染色质疾病

Ⅵ.1 结构性异染色质疾病

Ⅵ.2 兼性异染色质疾病

Ⅶ 结论

Content

Ⅰ 异染色质的概念

染色质的定义

      在真核生物中，与原核生物相反，DNA以一种称为“染色质”的核蛋白复合物的形式而组成，该复合物带有遗传信息。它位于细胞核中，并由几个独立的实体组成，即染色体。

异染色质的概念

      1928年，基于组织学观察，埃米尔·海茨（Emil HEITZ）将异染色质（HC）定义为在细胞间期核中看起来极为浓缩且颜色暗淡的染色体片段。实际上，染色质由纤维缠结组成，其直径不仅在细胞周期内变化，还取决于观察到的染色体区域。

      活性常染色质由缠绕在组蛋白H2A，H2B，H3和H4的同型二聚体上的纤维组成，该纤维的直径与核小体的双链DNA片段相对应。在无活性的常染色质中，由于组蛋白H1，这种纤维可以将自身缠绕成螺旋状。通过与非组蛋白的相互作用（拓扑异构酶II，支架蛋白2，核纤层蛋白等）进一步构成。关于如上所定义的异染色质，其组成纤维更紧密地凝结并且通常看起来由聚集体组成。它涉及许多其他蛋白，包括HP1蛋白（Heterochromatin Protein 1，异染色质蛋白1）。

Ⅱ 两种异染色质

      异染色质有结构性HC和兼性HC两种类型，它们所含的DNA略有不同。卫星DNA的丰富程度决定了异染色质的稳定性或可逆性质、多态性及其染色特性。

表1：结构性异染色质和兼性异染色质的不同点

Ⅱ.1 结构性异染色质

• 结构性异染色质包含一种称为卫星DNA的特殊类型的DNA，它由大量的短串联重复序列组成：α-卫星DNA，DNA卫星I，II和III。这些卫星DNA序列能够自身折叠，并且可能在结构性异染色质的高度紧凑结构的形成中起着重要作用。
• 结构性异染色质在发育的所有阶段和所有组织中均稳定并保留其异染色质特性。
• 结构性异染色质是高度多态的，可能是由于卫星DNA的不稳定性所致。这种多态性不仅会影响异染色质的大小，而且会影响其位置，并且显然没有表型效应。
• 结构性异染色质通过C-带法会剧烈染色，这是变性后卫星DNA迅速复性的结果。

Ⅱ.2 兼性异染色质

• 兼性异染色质的特征在于存在LINE型重复序列。这些分布在整个基因组中的序列可以促进浓缩染色质结构的传播。
• 兼性异染色质是可逆的，其异染色状态取决于发育阶段或所检查的细胞类型。雌性体细胞中失活的X染色体（巴氏小体）和雄性减数分裂粗线期的非活性性囊泡是兼性异染色质的两个例子。
• 兼性异染色质并不是特别富含卫星DNA，因此不具有多态性。
• 兼性异染色质永远不会被C-带法染色。

Ⅲ 异染色质的性质

      尽管存在上述差异，但结构性异染色质和兼性异染色质具有非常相似的特性。

Ⅲ.1 异染色质的固缩性

      实际上，这就是定义异染色质的原因，它应用于结构性异染色质和兼性异染色质。这种高的缩合度使其具有很强的嗜酸性，一般来说，它们对DNAse 1和其他限制酶而言是难以接近的。

Ⅲ.2 异染色质DNA晚期复制

      各种核苷酸类似物的加入表明，结构性和兼性异染色质的DNA都在后期复制。异染色质的后期复制一方面是由于其高度的缩合导致复制机不易得到DNA模板，另一方面是由于其在外围核域中的位置，而该域的活性元素含量很低。

Ⅲ.3 异染色质DNA的甲基化

• 结构性异染色质的DNA在胞嘧啶上高度甲基化。因此，anti-5-甲基胞嘧啶抗体可强烈标记结构性异染色质的所有区域。
• 关于兼性异染色质，DNA的甲基化是离散的，但是对甲基化敏感的限制酶表明了CpG岛的强甲基化，CpG岛明确位于基因的基因座控制区域中。

Ⅲ.4 异染色质组蛋白呈低乙酰化

      组蛋白可能会对其氨基末端进行翻译后修饰，这可能会影响染色质的遗传活性。

• 组蛋白N端末端的低乙酰化主要发生在赖氨酸上，与非活性染色质有关。相反，高乙酰化的组蛋白是活性染色质的特征。
• 组蛋白的乙酰化/去乙酰化是控制基因表达所需的必要的机制。 众多转录因子已被证明具有活性组蛋白乙酰基转移酶或组蛋白去乙酰基酶。

Ⅲ.5 异染色质组蛋白在赖氨酸9上的甲基化

      直到最近才发现组蛋白H3赖氨酸9（H3-K9）的甲基化参与结构性和兼性异染色质基因组的异染色质化过程。

Ⅲ.6 异染色质无转录活性

• 与果蝇不同，人类结构性异染色质不包含任何基因，并且将氚化尿苷加入到细胞培养物中不会导致在其基因水平上产生任何标记。
• 兼性异染色质的基因相对较弱，并且其基因通常不在异染色环境中转录。

Ⅲ.7 异染色质不参与基因重组

• 人们普遍认为结构性异染色质不参与基因重组。没有初步的同源异色区配对可能是因为表征异色区的多态性使其非常困难甚至是不可能的。结构性异染色质还可以抑制相邻的常染色区中的重组。
• 关于兼性异染色质，当它处于非活性形式时，它不参与减数分裂重组。

Ⅲ.8 异染色质呈聚集状态

      对各种生物的研究表明，结构性异染色质确实在分裂间期期间有聚集的趋势。

• 在果蝇幼虫中，富含异染色质的多纤染色体的着丝粒在分裂间期期间可以聚集形成染色中心。
• 在小鼠中，分裂间期细胞核中可以观察到的异染色段的数量始终低于分裂中期染色体上可见的异染色区域。
• 在人类中，主要由异染色质形成的近着丝粒端的染色体的短臂经常与分裂间期细胞核中具有较大异染色质带的其他染色体相关联（1、9和16）。

      异染色质聚集的这种趋势似乎与卫星DNA序列的存在密切相关，但也可能与其他额外序列有关。

Ⅳ 异染色质化的因素

      一些研究已经表明无论是结构性或者兼性异染色质在异染色质形成的过程中多种因素起到非常重要的作用。

Ⅳ.1 大量的串联重复

• 通过FISH方法观察到卫星DNA和结构性异染色质区域一致。而且，卫星DNA自身具有弯曲和折叠的独特特征，这可能是决定结构性异染色质高度紧凑结构的重要因素。
• 然而不仅仅是卫星DNA。在植物，果蝇和小鼠中，某些多拷贝转基因几乎不表达，或者根本不表达，即使它们没有受到着丝粒抑制。

      这些不同的观察结果表明，大量拷贝的DNA序列的串联重复本身足以指导异染色质的形成。这样的重复序列可以通过形成特征结构而使染色质更大程度地压缩。这些结构可以被特定的蛋白质（例如HP1蛋白质）识别，而这些蛋白质又可以指导更高阶染色质的形成。

Ⅳ.2 DNA的甲基化

      转基因的大量重复并不能全部导致转基因的转录失活。串联重复诱导的沉默似乎与存在原核基因组的DNA序列有关，该序列富含CpG岛，可能被甲基化。因此，串联重复序列的碱基组成可能在异染色质的形成中起重要作用。

• 有趣的是，最近发现甲基结合蛋白MeCP2通常与DNA甲基化胞嘧啶结合，因此表明其能够招募组蛋白去乙酰基酶（图1）。 因此，DNA的甲基化可诱导组蛋白脱乙酰化，从而促进异染色质化。
• 然而，DNA的甲基化对于异染色质的形成并不是必不可少的。这可能是参与其中的一个稳定因素。实际上，在有袋动物中，失活X染色体并没有被甲基化，并且比在哺乳动物中的稳定性低很多。

图1：DNA甲基化诱导组蛋白去乙酰化，这是组蛋白在异染色质和被抑制的常染色质中的特征修饰。

      MECP2特异性地与甲基化DNA结合，并招募能去乙酰化组蛋白的HDAC（Ac=去乙酰基；Me=甲基；MeCP2=甲基-CpG结合蛋白2；HDAC=组蛋白去乙酰化酶）。

Ⅳ.3 组蛋白的低乙酰化

      我们已经看到，组蛋白的低乙酰化是沉默染色质的特征，无论是否为异染色质。 因此，通过加入曲古抑菌素 A阻止组蛋白的去乙酰化来诱导组蛋白的超乙酰化，从而导致染色质结构更松散。

• 事实上，赖氨酸的乙酰化作用将组蛋白中的正电荷去除，从而降低了DNA磷酸对负电荷的吸引力，并导致染色质更大的松散。
• 相反，赖氨酸的去乙酰化可恢复其正电荷，从而促进与DNA的紧密吸引，从而导致染色质浓缩。

Ⅳ.4 H3-K9的甲基化

      组蛋白H3K9甲基化是一种表观遗传修饰，最近已证明其不仅在结构性异染色质中而且在失活X染色体上都参与异染色质化过程。负责该甲基化的酶是组蛋白甲基转移酶SUV39H1。

• 在组蛋白H3-K9上，乙酰化和甲基化似乎是相互排斥的。因此，在果蝇中，甲基转移酶Suv39h与组蛋白去乙酰化酶相关，这提示了一种单一的分子机制，允许乙酰化的赖氨酸9直接转化为甲基化的赖氨酸9。
• 此外，H3-K9的甲基化为异染色质蛋白HP1创造了一个高亲和力的结合位点。Suvar39h与HP1的共免疫沉淀表明，异染色质化的机制是基于这两种蛋白与赖氨酸9的相互作用。
• 最后，最近的研究表明在粗糙脉孢菌中H3-K9的甲基化可导致DNA的甲基化（图2）。

图2：组蛋白H3-K9甲基化诱导DNA甲基化，这是异染色质或抑制性常染色质中DNA的特征修饰。

      SUVAR39H是一种甲基转移酶，特异性的使组蛋白H3的赖氨酸9甲基化。这种甲基化作用为异染色质蛋白HP1创造一个结合位点使其获得一个DNA甲基转移酶，能够使DNA中CpG岛甲基化。（Me=甲基；Methyl H3-K9=组蛋白H3赖氨酸9上的甲基；HP1=异染色质蛋白1；DNMT=DNA甲基转移酶）

Ⅳ.5 HP1蛋白

      HP1蛋白在异染色质的结构中确实具有特殊作用。通过对果蝇位置效应（PEV效应）变异的研究，以及对果蝇和小鼠转基因的研究，使我们能够更好的理解这些蛋白的作用。

• 在果蝇中，HP1蛋白由Su(var)205基因编码，该基因是一种能修饰PEV效应的花斑抑制基因。由位置效应引起的斑驳可以这样描述：染色体重排后，通常位于活性常染色质中的基因被置于靠近异染色质着丝粒区域。然后新定位的染色质变得更加紧密，它通常与局限于着丝粒的HP1蛋白有关。而且，易位染色质中包含的基因受到抑制。
• 在小鼠中，在着丝粒附近插入转基因可能会产生类似的结果。

      值得注意的是，即使转基因被抑制，不是由于着丝粒效应，而是由于其存在多个拷贝，HP1蛋白也被发现与抑制的染色质相关。

      HP1蛋白似乎是异染色质形成的重要环节，并且可能具有染色质域组织者的作用。这些蛋白似乎能够识别由重复DNA序列的配对或者缔合而产生的特定结构。此外，由于有了染色质结构域（CD）和染色体阴影结构域（CSD），它们能够与大量其他蛋白质建立二级相互作用。

Ⅳ.6 核内RNA

• 已经证实，某些核RNAs能够促进兼性异染色质的形成。在雌性哺乳动物的体细胞中，XIST基因的转录本在一条X染色体的兼性失活过程中起着重要作用。
• 最近小鼠的一些研究表明，核转录本也可能参与结构性异染色质的形成。在小鼠细胞中，着丝粒区异染色质的特征是有高浓度的甲基化的组蛋白H3-K9和异染色质HP1蛋白，这些蛋白在被RNAse A孵育后迅速脱离原位。这表明核RNA可能是结构性异染色质的重要结构成分。

Ⅴ 异染色质的功能

      长期以来异染色质在人类基因组中的确切作用一直是个谜，因为其频繁的多态性似乎没有任何功能或表型作用。

Ⅴ.1 异染色质在核域组织中的作用

• 异染色质和常染色质占据不同的核结构域。异染色质通常位于细胞核外围，并附着在核膜上。相反，活性染色质占据更中心的位置。
• 异染色质在核膜上的优先定位可能是由于蛋白HP1与核纤层蛋白B受体的相互作用所致，后者是细胞核内膜的组成部分。
• 异染色质的外围定位将活性元素集中在细胞核的中心，使得活性的常染色质已最高的效率进行复制和转率。

Ⅴ.2 HC在着丝粒功能中的作用

      在大多数真核生物中，着丝粒含有大量的异染色质。有人认为，着丝粒区异染色质对于姐妹染色单体的聚合是必须的，它允许有丝分裂染色体的正常分离。

• 在酵母粟酒裂殖酵母中，HPI蛋白的同源物Swi6对于姐妹染色单体在细胞分裂过程中的高效凝聚是绝对必要的。
• 此外，有关卫星DNA缺失的实验表明，大范围的卫星DNA重复对于着丝粒的正常功能是必不可少的。

      据推测，事实上，着丝粒区异染色质可以通过增加组蛋白变体CENP-A的局部浓度，并通过促进复制过程中CENP-A而不是组蛋白H3的结合而形成一个单独的结构。

Ⅴ.3 异染色质在基因抑制中的作用（表观遗传调控）

      基因表达可以控制在两个水平：

• 首先，由于形成了局部转录复合体，因此在局部水平上是转录控制。该水平涉及与单个基因连接的相对较小的DNA序列。
• 在更全局的层面上，这种情况是受转录能力控制的。它涉及更大的序列，这些序列代表一个大的染色质结构域，可以处于活性状态也可以处于非活性状态。异染色质似乎参与控制基因组的转录能力。因此，当它们位于异染色质域附近时，通常位于常染色质中的基因可以被沉默。

顺式失活机制：

      染色体重排后，常染色体区域可与异染色体区域并列。在重排去除了保护常染色质的某些正常屏障的情况下，异染色结构能够顺式传播至相邻的常染色质，从而使其中包含的基因失活。在果蝇的位置效应变异（PEV）以及小鼠的某转基因的失活中都观察到了这种机制。

反式失活机制：

      在细胞分化的过程中，某些活跃的基因可能被转移到一个异染色质的细胞核中，从而导致它们变得不活跃。这种机制已经被提出用来解释在淋巴细胞核中发现IKAROS蛋白和控制表达的基因以及着丝粒区异染色质。

Ⅵ 异染色质疾病

Ⅵ.1 结构性异染色质疾病

   这些疾病通常是细胞分化过程改变的结果。

- 它们可能是原发性的，如ICF综合征或Roberts综合征。

      ICF综合征与免疫缺陷、中心体不稳定和面部异常相关。这是一种罕见的隐性疾病，与DNA甲基转移酶和DNMT3B基因突变有关。特别是富含G-C的卫星DNAs Ⅱ和Ⅲ被去甲基化，这可能导致姐妹染色单体异常分离，形成多个放射状图形，缺失，微核等。

- 它们可能是后天的，在许多类型的癌症中都发现了涉及DNA或异染色质蛋白的组成性异染色质异常。

• 特别是非霍奇金淋巴瘤和多发性骨髓瘤已被证明与1号染色体的次级收缩异常有关，这些异常与ICF综合征中观察到的异常相似。事实上已经有研究表明这些与基因组的整体低甲基化特别是与卫星DNA Ⅱ的低甲基化相关。
• 在转移性乳腺癌中，已经有研究表明，HP1α蛋白水平下降，这种蛋白通常位于染色体的异色区域。

Ⅵ.2 兼性异染色质疾病

• 它们可能是由于女性体细胞中失活的X染色体缺陷（XIST基因突变）导致，并可能导致女性中X连锁隐性疾病的表达。
• 它们可能是由于雄性生殖细胞中性囊泡凝结的缺陷而导致的，由于减数分裂的粗线阻滞导致不育。

Ⅶ 结论

       总之，尽管异染色质显然是无定形的并且在细胞核的外围被隔离，但是它似乎在基因组的组织和功能中具有绝对重要的作用。

       在这篇综述中，我们主要介绍了与异染色质相关的特征，无论是组成性还是兼性。 我们已经表明，组成型异染色质的性质与兼性异染色质的性质没有根本区别。 因此，似乎很明显，兼性异染色质化涉及的机制是表观遗传机制，此机制与抑制常染色体的机制相同。