『珍藏版』NCB综述 | 染色质复制与细胞的表观遗传记忆

撰文 | 十一月

责编 | 兮

细胞分裂过程中，染色质的遗传是保持细胞表观遗传记忆的核心。而目前关于DNA复制、细胞周期以及表观遗传组学之间关系的机制分析为复制偶联的染色质装配和复制后染色质的维持提供了一些见解。

为了对这些新颖的机制进行总结，近日，丹麦哥本哈根大学Anja Groth研究组在Nature Cell Biology发表综述文章题为Chromatin replication and epigenetic cell memory，Bioart对此文章进行编译以飨读者！

在真核生物中，染色质将基因组包装和组织起来，免受环境胁迫的影响。同时在细胞有丝分裂周期内对以DNA为基础进行一系列活动例如DNA损伤修复、转录、染色体分离、转座子元件等进行抑制【1,2】。而高通量测序技术的发展为染色质保存转录程序、表观遗传标记、发育及疾病等方面的大规模研究铺平了道路【3,4】。虽然在核小体发现之后引起了大家的研究兴趣【5】，但是关于DNA复制过程和细胞周期是如何影响染色质以及表观遗传组学特征的还很不清楚。目前表观遗传领域的研究已经有了长足的进展，但是仍然有一个长期的疑惑横亘在科学家们的心中：当细胞分裂的时候，功能性的染色质状态是如何在代际之间进行传播的？

本篇综述按照时间线进行组织，首先对DNA复制偶联的染色质组装的机制进行总结，其次是通过有丝分裂在子代细胞中如何确保染色质的成熟，为染色质复制与细胞表观遗传学记忆的研究提供一个全面的汇总。

在细胞进入有丝分裂时期后，蛋白质和RNA会从DNA上脱离下来。新复制的染色质表观遗传状态的重建需要染色质组分在复制叉之后重新组装【6】。核小体是染色质的基础组成单元，包含两分子的H2A-H2B和两分子的H3-H4组成的八聚体结构，八聚体被DNA环绕并且两个串珠状八聚体之间由linker DNA相连【7】（图1）。组蛋白上存在多种翻译后修饰，包括磷酸化、乙酰化、甲基化、泛素化和ADP-核糖体化。组蛋白的放置（Deposition）和多种翻译后修饰在基因调控中起直接作用【8】，因此，这些特征的遗传可能赋予细胞记忆。核小体在复制叉位置的组装与DNA复制紧密结合，因此是理解染色质功能如何在细胞分裂中遗传的关键切入点。染色质组装代表了一个独特的实验系统，可以用以进行表观遗传学的研究。并且通过实验破坏特定的染色质恢复事件，我们就可以检测染色质状态的长期存在与其在表观遗传细胞记忆中的所发挥的作用。DNA复制复合体是一个大的蛋白质-核酸复合体，除了DNA复制相关的因子之外还包括染色质复制相关的必需蛋白【9】。关于染色质复制过程中的细胞表观遗传记忆部分，主要包括新、旧组蛋白的核小体组装途径以及组蛋白的回收利用对于组蛋白翻译后修饰的作用。

图1 核小体结构

1. 新、旧组蛋白的核小体组装途径

新合成的染色质包含新旧两种组蛋白（图2）。在HeLa细胞中，新旧组蛋白的比例是1:1混合的，但是在特殊的基因组位置或者不同的细胞类型中略有不同。新组蛋白与旧的亲代组蛋白之间有几个方面的不同【10】。在真核生物中，新合成的组蛋白在H4K5和H4K12两处均有乙酰化存在，而在酵母中H3K56位点也含有乙酰化修饰，这些标记对于基因组的稳定性至关重要，可能因为他们是DNA复制后核小体组装和染色质成熟所必须的【11】。另外，研究表明，亲代组蛋白在染色质组装和成熟过程中也保存他们的翻译后修饰【12】。科学家们推测亲代H3-H4四聚体与新合成的组蛋白进行混合以确保组蛋白表观遗传特征的遗传【13】，这一理论得到了新合成的H3-H4以二聚体形式放置的实验结论的支持【14】。但是也有早期的研究发现，在HeLa细胞中DNA复制过程并没有出现新旧H3-H4组蛋白的混合，而可能是由于大多数的亲代H3-H4组蛋白作为一个完整的四聚体被回收利用（BioArt注：朱冰研究组2010年发表在Science上的工作）【15】（图2）。

图2 复制叉上核小体组装的简化示意图

2. 组蛋白的重复利用促进了组蛋白翻译后修饰的遗传

在新组蛋白和旧组蛋白的两个核小体组装途径中，新的组蛋白放置是很容易理解的。关于此领域的一个重大突破是组蛋白伴侣CAF-1鉴定以及其与复制叉存在直接相互作用【16,17】。这直接证明了染色质组装与DNA复制过程是紧密相连的。类似的证据将亲代组蛋白回收过程与DNA复制过程相连，提供了另外一个层面的调控机制。这表明，作为表观遗传信息的潜在载体，回收的亲代组蛋白通过DNA复制与它们的基因组位置保持紧密联系是很重要的。

MCM2是DNA复制解旋酶的一部分，具有高度保守的N端组织结合域，可以作为H3-H4二聚体和四聚体的伴侣蛋白（图2）。MCM2在组蛋白回收中的作用在哺乳动物细胞和酵母细胞中分别通过SCAR-seq和sSPAN技术被直接证实【18,19】。MCM2将亲代组蛋白回收到滞后链上，这需要滞后链合成过程与解旋酶的紧密配合。MCM2的组蛋白结合结构域可以作为一个平台，隔离H3-H4四聚体，然后将它们交给下游伴随物，直接促进滞后链上H3-H4的放置。

Polε是先导链复制的核心酶，最近也被发现在酵母细胞和哺乳动物细胞中结合H3-H4同时作为H3-H4的伴侣蛋白发挥作用【20】。由于复制叉的进展与核小体的装配是共同调节的，所以复制叉出现问题（Fork collapse）会造成染色质缺陷。因此，组蛋白伴侣活性调节亚基POLE3/4作为H3-H4伴侣蛋白发挥作用的结构基础，将DNA复制过程与核小体组装过程中的作用进行了分隔，确认了POLE3/4作为类似MCM2一样的通用的、组蛋白H3-H4回收的保护功能。在酵母中对POLE3/4同源物以及MCM2的双突变体额外的基因沉默表型【21】说明POLE3/4以及MCM2两种途径协同作用，确保了沉默染色质状态的组蛋白遗传和维持。总的来说，复制复合体中多个与组蛋白结合的界面在动态组蛋白伴侣的帮助下为组蛋白转移提供了一个平台。

新生的染色质具有独特的组成和组织，必须进行广泛的调控才能恢复到复制叉出现之前表观遗传状态。这些恢复过程发生在不同的时间尺度上，表现出不同的染色质特征，也表现出物种特异性差异，使染色质成熟成为一个复杂的、多方面的过程。复制之后染色质表观遗传状态的成熟过程将从核小体组织、组蛋白修饰传播以及抑制性染色质与活跃染色质上表观遗传修饰的恢复进行总结。

1. 核小体组织

核小体在全基因范围内包裹DNA，并在局部调节转录和DNA修复机制的基因组可及性。直到最近，人们对DNA复制对核小体定位的影响仍然知之甚少。活性转录起始位点和增强子包含被转录因子和RNA聚合酶占据的核小体缺失区 (Nucleosome-depleted regions, NDRs)。NDRs在MNase-seq、DNase-seq、FAIRE-seq和ATAC-seq实验中均显示为可及区域。DNA复制过程暂时会影响调控活跃位点上典型的核小体组织结构，使得染色质结构被扰乱同时DNA的可及性也降低。

2. 组蛋白修饰传播

组蛋白翻译后修饰的调控和功能错综复杂，与其他翻译后修饰、DNA修饰和序列特征之间存在广泛的相互作用。因此，组蛋白翻译后修饰景观的复制后传播或者说增殖被认为是多层次和复杂的调控。在不同的模式生物细胞分裂过程中，甲基化是研究最多的组蛋白翻译后修饰。因此，本文中主要关注组蛋白甲基化修饰，同时需要强调的是在细胞分裂过程中其他标记的维持也非常重要。

大多数证据支持这样一种观点：在DNA复制过程中，经过修饰的亲代组蛋白被有效且准确地回收到姐妹染色单体中，这意味着新复制的染色质与亲代组蛋白修饰能够相呼应。亲代组蛋白通过DNA复制来维持乙酰化和甲基化标记。亲代组蛋白会被重新组织到距离原始位置很近的地方，并且通过高通量测序的方式发现亲代组蛋白仍然能够维持H3K4me3、H3K27me3、H3K36me3、H3K79me3等修饰【22】。最近在小鼠胚胎干细胞的一项研究中，使用了类似的生物正交的组织学跟踪方法，发现生物素标记的组蛋白在细胞周期中被抑制的区域被保存，而在许多转录活性位点却没有被保存下来【23】。这可能说明染色质上活跃区域的基因标记书签记忆半衰期较短。

总的来说，翻译后修饰恢复的基准线不是零，亲代组蛋白翻译后修饰在姐妹染色单体上的位置基本上不变，但是水平有所稀释。如果新的组蛋白在复制后没有被成功加上修饰，组蛋白翻译后修饰后的信息将在连续的复制过程中因为被稀释而丢失。组蛋白频繁交换对于组蛋白翻译后修饰的遗传也是一大挑战。考虑到活性染色质中组蛋白的翻译后修饰的更新更快，这一过程可能会对活性染色质状态的有丝分裂遗传损害更多。另外，被修饰的新组蛋白恢复亲代组蛋白翻译后修饰的水平是不均匀的，通常相对于DNA复制和组蛋白H4乙酰化的去除，会有相当长的延迟。

染色质状态通常通过DNA序列特征和转录等活性过程进行传播和扩展。因此，组蛋白翻译后修饰在表观遗传细胞记忆中的功能是通过其与DNA序列特征、DNA甲基化、其他组蛋白翻译后修饰、组蛋白变体以及大规模的染色体组织的相互作用实现的。深入了解这种相互作用对于理解表观遗传组如何在细胞分裂中传播或如何通过重塑改变细胞功能至关重要。

3. 抑制性与活跃染色质上表观遗传修饰的恢复

大多数关于组蛋白翻译后修饰遗传的研究都集中在以H3K27me3或H3K9me3标记为特征的沉默状态的染色质结构域（图3）。H3K27me3和H3K9me3的传播都需要一个“读-写”机制，在此机制中甲基转移酶识别并被该翻译后修饰所激活。这种正反馈循环有助于维持和传播抑制性区域，包括DNA复制后组蛋白翻译后修饰的恢复过程。由组蛋白修饰驱动的正反馈环网络以及序列元素和其他染色质特征，确保了沉默状态的可靠表观遗传。

图3 不同组蛋白翻译后修饰在细胞周期中的波动

与抑制性区域相比，组蛋白翻译后修饰是如何促进活性染色质状态传播的还不甚清楚。H3K36me3和H3K79me3是在基因体中发现的，而H3K4me3是在转录起始位点的启动子中发现的。尽管H3K4甲基化和转录之间存在明确的正相关关系，但确定H3K4甲基化在维持活性状态中的因果作用仍然具有挑战性（BioRxiv | 争鸣：H3K4me3与转录调控不存在因果关系）。然而，核转移实验证明H3K4me3是体细胞重编程的障碍，这表明它可能编码了一种细胞记忆形式【24】。我们认为，活跃转录的染色质区域可能与异染色质一样，转录记忆是由染色质依赖和序列依赖的特征决定的，可能涉及到RNA聚合酶招募过程的正反馈过程以及转录依赖的翻译后修饰的实现。

染色质状态的在代际之间的传播是表观遗传细胞记忆的基础，但迄今为止还缺乏有效的研究染色质复制的全基因组方法。现有的一些高通量测序技术为理解染色质在细胞内复制和成熟的机制基础提供了一个新的切入点。大多数研究集中在H3-H4作为染色质中最稳定的成分，但同样重要的是分析H2A-H2B的修饰是否以及如何促进细胞分裂过程中表观基因组的维持。此外，未来的工作将还可能会引入更多可能的机制，比如相分离驱动的核小体组织、染色体相互作用以及染色质环的存在等等。另外单分子分析技术、结构生物学、超分辨率显微镜、Nanopore测序技术在染色质复制以及细胞表观遗传记忆研究过程将会提供新颖的机制方面的见解。在此基础上，我们将对染色质复制如何发挥功能以及功能失调后在发育、衰老、癌症等细胞分裂过程的影响进行更进一步地解析。

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