染色体重构(chromatin remodelling)之INO80和SWR1

2019-01-27 14:51

INO80和SWR1复合体属于ATP依赖性染色质重构复合体的INO80亚家族,可以和核小体相互作用,通过使核小体沿着DNA滑动或改变核小体内部的组蛋白达到染色质重构效果。此时,INO80和SWR1复合体促进调控因子募集到DNA上。与其他染色质重构复合体的区别在于INO80和SWR1含有一个具有独特“裂开”ATP酶结构域(splitATPasedomain)的核心ATP酶(也叫Rvb蛋白),该酶和细菌RubB(Holliday结DNA解旋酶:HollidayjunctionDNAhelicase)部分同源。INO80和SWR1能够结合到组蛋白H2A变异体H2AX和H2A.Z上,在转录,复制和DNA修复过程中改变染色质的结构。以下部分主要从作用机理和生物学功能两个方面描述INO80和SWR1复合体。1、INO80和SWR1复合体的组成

芽殖酵母INO80复合体由核心ATP酶,Ino80(肌醇代谢所需),Rvb1,Bvb2,Act1(肌动蛋白),Arp4(肌动蛋白相关蛋白),Arp5,Arp8,Nhp10(“非组蛋白”蛋白),Taf14(TATA连接蛋白相关因子),Ies1(Ino第八亚基),Ies2,Ies3,Ies4,Ies5,Ies6组成.芽殖酵母SWR1复合体包含14条多肽链:核心ATP酶,Swr1,Rvb1,Rvb2,Act1,Arp4,Arp6,Swc2(Swr复合体),Swc3,Swc4,Swc5,Swc6,Swc7,Yaf9(人白血病蛋白AF9的酵母同源蛋白)和Bdf1(bromodomain因子)。2、重构作用机理

核小体是染色质的基本单位,由147bpDNA包裹折叠成1.65圈左手超螺旋,超螺旋上有核心组蛋白(包括H2A,H2B,H3和H4)之一双拷贝形成的八聚体。INO80和SWR1复合体与核小体的相互作用可能与肌动蛋白和Arp(肌动蛋白相关蛋白)亚基相关,这种作用在每个复合体中可能与核心ATP酶中保守的HSA(helicase-SANT-associated)结构域有关。INO80亚家族的染色质基质包括组蛋白H2A变异体(H2AXandH2A.Z)。值得注意的是,在核小体内,Nhp10和Arp4调节INO80复合体与磷酸化H2AX(γ-H2AX,酵母中的H2A)的相互作用(SWR1也许也通过Arp4调节γ-H2AX),而SWR1复合体与H2A.Z-H2B的相互作用则是由Swc2亚基和Swr1亚基的N末端进行调控的。INO80复合体具有ATP依赖性DNA解旋酶活性,体外研究中尤其偏好与结合到“four-wayjunction”或“three-wayjunction”的DNA结构上,这种特点和它在同源重组和DNA复制中所起作用有关。体外研究显示,INO80的重塑作用以ATP依赖的方式使核小体沿着染色质模板上滑动,但是详细的重塑步骤以及其与INO80解旋酶活性的关系尚未可知。INO80可以让单个核小体从染色质末端沿着DNA移动到中心位置,这个功能也许是核小体空间间距形成的原因。此外,INO80在体内与核小体的废弃(nucleosomeeviction)有关。体外实验证明,在具有H2A.Z变异体的核小体中,SWR1复合体利用ATP水解产生的能量逐步的、间接地替换典型的H2A。SWR1首先结合到AA核小体(包括两个H2A-H2B二聚体)和一个游离的H2Z/Z-HZB二聚体的一端,介导SWR1ATP酶活性的超活化,核小体H2A-H2B的解离和H2A.Z-H2B的凝集。接着,AZ核小体(包括一个H2Z-H2B二聚体和一个H2Z.Z-H2B二聚体)从SWR1上掉落形成一个中间产物。最后,SWR1又可特异性的结合到AZ核小体的A处,导致第二个组蛋白替代,形成ZZ核小体(包含两个H2A.Z-H2B二聚体)。但此过程的逆过程(ZZ到AZ,AZ到AA或ZZ直接到AA)尚未研究清楚。芽殖酵母中,SWR1复合体和NuA4复合体(一个组蛋白乙酰转移酶复合体)共用四个亚基(Act1,Arp4,Yaf9,andSwc4)。这两个复合体共同调节H2A.Z凝集到核小体。目前的研究显示SWR1能够被招募到染色质主要得益于和NuA4复合体之间共用的亚基。除此之外,SWR1的招募也依赖于Bdf1,Bdf1能够识别被NuA4乙酰化修饰的组蛋白H4。一旦招募发生,SWR1复合体将会用H2A.Z变异体来替代组蛋白H2A去经受NuA4的乙酰化作用。3、INO80复合体的生物学功能

大约20%的酵母基因的转录调控(不论是负调控还是正调控)受到INO80家族复合体的调节。例如,转录因子Pho4结合到PHO5启动子上启动了INO80,SWI/SNF(全称switch/sucrosenonfermentable,也是一个核小体重构复合体)和SAGA(Spt/Ada/Gcn5/acetyltransferase的简写,是一个组蛋白乙酰基转移酶复合体)的招募。三个复合体聚合后再启动子区域发挥核小体重构作用,增加了转录装置的DNA亲和性。酵母INO80通过和γ-H2AX的相互作用而结合到DNA双链断裂位点。该举动促进了断裂位点周围核小体的释放,有利于高效率的招募DNA修复装置,例如MRX(Mre11-Rad50-Xrs2)和Mec1(一个细胞周期监测点激酶)复合体。INO80在紫外损伤修复中也起着作用。正常条件下,酵母INO80可能通过驱使核小体滑动或释放使复制叉(replicationfork)高速前进。在复制压力时,INO80复合体可能在受压复制叉处重构核小体,从而促进复制叉的稳定,重启DNA合成,越过DNA损伤。INO80的Ies4亚基磷酸化调控着复制检测点(replicationcheckpoint)。INO80复合体也在端粒调控,着丝点稳定性调控和染色体分离中起着作用。4、SWR1复合体的生物学功能

SWR1促使H2A.Z在启动子周围的非核小体区域(nucleosome-freeregion)沉积进入核小体(SWR1depositsH2A.Zintonucleosomesflankingthenucleosome-freeregionaroundpromoters)。H2A.Z沉积进入核小体之后,可能会改变核小体的稳定性和动力学性质,也可能易化或抑制其他因子的招募。故而,H2A.Z进入核小体可对转录进行正调控和负调控。已有研究表明,SWR1复合体在双链断裂损伤位点和NuA4复合体协作发挥作用,用H2A.Z替换γ-H2AX,这个措施也许进一步的易化了损伤因子和检测点因子集团的招募。SWRI在亚端粒区域将H2A.Z交换进入基因内,能够抑制异染色质向常染色质区域的延伸。因此,H2Z.Z的沉积也许能保护基因免于沉默信息调控因子(SIR)依赖的端粒沉默作用的伤害。而在高等真核细胞中,H2A.Z也在基因沉默和异染色质形成中发挥作用。


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