染色质的活化

真核基因表达首先涉及染色质的活化。当基因被激活时，可观察到染色质相应区域发生某些结构和性质变化，这些具有转录活性的染色质被称为活性染色质（active chromatin）。染色质活化后，常出现一些对核酸酶（如DNase I）高度敏感的位点，称为超敏位点（hypersensitive site）。超敏位点通常位于一些调节元件处，如启动子、增强子，一般在被活化基因的5′－侧翼区1 000bp内，但有时也会出现在更远的5′－侧翼区或3′－侧翼区。这些转录活化区域是缺乏或没有核小体结合的“裸露”DNA链。

（一）组蛋白修饰与染色质重塑

具有转录活性的染色质其组蛋白有一些改变，主要表现为：①富含赖氨酸的H1组蛋白含量降低；②H2A－H2B组蛋白二聚体的不稳定性增加，使它们容易从核小体核心中被置换出来；③核心组蛋白H3、H4可以被特异性修饰。此时核小体的结构变得松弛而不稳定，对DNA的亲和力也降低，易于基因转录。

由4种组蛋白（H2A、H2B、H3和H4各2个分子）组成的八聚体是核小体的核心区（core particle），外面盘绕着DNA双螺旋链。这些组蛋白的氨基端会伸出核小体外形成组蛋白尾巴（图12－5a），这些尾巴既是各核小体间相互作用的纽带，也是发生组蛋白修饰的位点。

图12－5 组蛋白结构及其化学修饰

组蛋白的乙酰化修饰能够中和组蛋白尾巴上碱性氨基酸残基的正电荷，减弱组蛋白与带有负电荷的DNA之间的结合，选择性地使某些染色质区域的结构从紧密变得松散，有利于转录因子与DNA的结合，从而开放某些基因的转录，提高其表达水平。而组蛋白的甲基化则可增加其碱性度和疏水性，从而增强与DNA的亲和力。乙酰化修饰和甲基化修饰都是通过改变组蛋白尾巴与DNA之间的相互作用发挥基因表达调控的功能，但两者互相抑制。组蛋白的磷酸化修饰在细胞有丝分裂和减数分裂期间染色体浓缩以及基因转录激活过程中发挥着重要的调节作用。

组蛋白修饰引起局部染色质结构改变并进而影响转录活性的过程称为染色质重塑（chromatin remodeling），这是一个由基因活化蛋白、染色质重塑复合体参与，并由ATP水解供能的复杂过程，其功能是改变待转录基因启动子处核小体的结构形式。这种改变可以是组蛋白的转移，也可以是组蛋白的滑动，结果均使DNA能顺利与转录因子、RNA Pol接近，组装成转录起始复合物。染色质重塑复合体是一类多蛋白体，以各自的ATP酶亚基为中心，且根据ATP酶亚基的不同分为几种，如酵母含有SWI/SNF、RSC、ISW1、ISW2等复合体，人类所含种类更多一些，如hSWI/SNF、RSF、hACF、WCFR、hCHRAC、NuRD等。它们能与特定基因的染色质结合，所具有的ATP酶活力可水解ATP供能，同时协助染色质结构改变及其与转录因子的结合。图12－6是染色质重塑的示意图。

表12－1总结了组蛋白乙酰化、磷酸化和甲基化修饰对染色质结构和功能的影响。实际上，组蛋白修饰还包括泛素化和ADP－核糖基化修饰。各种不同的修饰以及各种修饰之间的组合及其相互作用，可作为一种染色质活化类型的标签，称为组蛋白密码（histone code），在基因表达调控和表观遗传调控的研究中具有深远的意义。

图12－6 染色质重塑

表12－1 组蛋白修饰对染色质结构与功能的影响

Lys＝赖氨酸；Ser＝丝氨酸；Arg＝精氨酸。译自：Gene IX，by Benjamin Lewin

催化组蛋白修饰的酶是成对的，各自发挥不同的调控作用。如组蛋白乙酰基转移酶（histone acetyltransferase，HAT）和组蛋白去乙酰基酶（histone deacetylase，HDAC），在DNA水平的基因表达调控中具有重要作用。HAT使组蛋白发生乙酰化，促使染色质结构松弛，有利于基因的转录，称为转录辅激活因子（co－activator）；而HDAC促进组蛋白的去乙酰化，抑制基因的转录，称为转录辅抑制因子（co－repressor）。

（二）DNA甲基化

DNA甲基化（DNA methylation）是真核生物在染色质水平控制基因转录的机制之一。真核基因组中胞嘧啶第5位碳原子可以在DNA甲基转移酶（DNA methyltransferase）的作用下被甲基化修饰为5－甲基胞嘧啶，并且以序列CG中的胞嘧啶甲基化更加常见。基因组中可见到成簇的非甲基化CG存在于某个区段，一般将这些CG含量最高达60％，长度为300～3 000bp的区段称作CpG岛（CpG island）。CpG岛常位于基因的启动子和第1外显子区域，约60％以上基因的启动子含有CpG岛。处于转录活跃状态的染色质中，可发现CpG岛的甲基化程度下降，例如管家基因的CpG岛中胞嘧啶甲基化水平较低。推测CpG岛的高甲基化有利于染色质形成致密结构而抑制基因表达。

染色质结构对基因表达的影响可遗传给子代细胞，其机制是细胞内存在着具有维持甲基化作用的DNA甲基转移酶，可以在DNA复制后，依照亲本DNA链的甲基化位置催化子链DNA在相同位置上发生甲基化。这种以染色质结构的改变而非基因序列导致的遗传现象被称为表观遗传（epigenetic inheritance）。表观遗传对基因表达的调控不仅体现在DNA甲基化上，组蛋白的乙酰化、甲基化以及非编码小RNA的调控等都属于表观遗传调控的范畴。