DNA 双链断裂处染色质重组机制

DNA 双链断裂处染色质重组机制
纳小凡;姬明飞;岳岩磊
【摘要】The repair process of DSBs includes chromatin structure change at DNA double stand breaks,syntrophin complex formation and chromatin remodeling.Therefore,nucleosome packing and chromatin architecture surrounding the DSB have certain effects on DNA repair at the breaks.The authors reviewed early chromatin-based events to provide new ideas and directions for studying on epigenetic modification mechanism,mechanism of resistance and mutation breeding from the formation mechanism of chromatin architecture and raising process of DNA repair process in specific DSB region.%DNA 双链断裂（DNA double-strand breaks，DSBs）的修复过程包括 DNA 断裂处染色质结构变化、DNA 修复蛋白复合物的形成以及染色质构型的重新恢复等过程。

因此，DSB 周围包裹的核小体及其染色质构型对断裂处 DNA 的修复产生一定影响。

该文通过从 DSBs 处开放而松弛的染色质结构的形成机制和 DNA 修复蛋白在 DSB 特定区域的募集过程，综述了真核细胞 DSB 修复的早期事件，以期为研究植物DSB 修复过程中表观遗传修饰机制、植物耐逆机制以及作物诱变育种提供新的思路和方向。

【期刊名称】《贵州农业科学》
【年(卷),期】2013(000)012
【总页数】3页(P21-23)
【关键词】DNA 双链断裂;染色质重组;DNA 修复
【作者】纳小凡;姬明飞;岳岩磊
【作者单位】宁夏大学生命科学学院，宁夏银川 750021;南阳师范学院生命科学与技术学院，河南南阳473061;黑龙江省农业科学院牡丹江分院，黑龙江牡丹江157041
【正文语种】中文
【中图分类】Q754
维持遗传信息的完整性对正常细胞功能和抑制癌变非常重要。

DNA损伤通常由一些外因，如电离辐射、紫外辐射或环境毒素造成，也可由活性氧或DNA复制错误等内因造成。

这些因素能够导致DNA发生诸如错配、交联以及单、双链断裂等损伤。

其中，DNA双链断裂(DNA double-strand breaks，DSBs)由于破坏了DNA 骨架而可能具有致命的影响。

目前研究发现，真核细胞中至少有6种修复机制来修复不同类型的DNA损伤，其中NHEJ和HR均是保证染色体和基因结构正常的必需机制。

酵母和细菌中，主要通过HR途径进行DSB修复，高等动植物中主要通过NHEJ途径进行DSB修复。

这些修复机制在酵母、植物及动物中较为保守。

在一些条件下，DSB修复可能发生在复杂的染色质结构内部。

研究表明，染色质结构和核小体均是DSBs修复的障碍[1]。

真核细胞含有多种特异的染色质结构，如活性表达的基因、端粒、复制叉、基因间隔区以及异染色质。

这些结构可以通过组蛋白修饰、组蛋白变体、染色质结合蛋白类型以及核小体包裹方式等多种特征进行区分[1]。

目前认为，染色质结构的复杂程度对DSB修复影响最大[2]。

这种影响最初被用“进入-修复-复位”模式来描述[2]。

简单来说，这一模式推测的DSB修复机制包括以下4个步骤：① 在不同染色质结构中发现DNA损伤；② 重塑染色
质结构以打开修复复合体进入损伤位点的途径；③ DNA模版完成剪切和修复；④ 修复完成后染色质构型的复原。

目前，大量参与染色质结构打开和促进DNA修复的修饰因子、组蛋白修饰酶、去乙酰化酶、磷酸化酶以及修复完成后参与染色质重组的组蛋白伴侣均被发现。

该文主要针对“进入-修复-复位”模式中的进入部分，详细叙述了DNA损伤发生后的一些早期事件，如组蛋白H4的乙酰化和异染色质的松弛化等过程。

1 组蛋白H4乙酰化对DSBs处染色质结构的影响
当真核细胞DNA发生双链断裂时，DSBs处的染色质构型瞬间转变为较为开放的状态，其中伴随着组蛋白H2A和H4乙酰化的增加[3-4]。

研究表明，组蛋白H4的乙酰化依赖于一种Tip60乙酰转移酶[5]。

当DSB发生时，Tip60被快速募集至断裂处，并乙酰化就近的DDR蛋白，如组蛋白H2A和H4、ATM激酶、p53以及其他修复蛋白[4，6]。

在DSB修复过程中，Tip60仅是人类NuA4(hNuA4)重组复合物的一个亚基。

目前发现，hNuA4至少含有16个亚基[7]，其中4个具有催化功能，分别为Tip60乙酰转移酶、p400ATP酶以及Ruvbl1和Ruvbl2螺旋酶样蛋白。

这些亚基均能在DSBs形成处集结形成hNuA4复合物，并参与DSB 修复。

由于Tip60参与组蛋白的乙酰化，因此其功能失活能够阻断H4的乙酰化并增加细胞对DNA损伤的敏感性[3]。

同样，酵母H4的Tip60乙酰化位点突变也增强了酵母细胞对DNA损伤的敏感性，这与Tip60失活的结果一致。

因此，虽不能对哺乳动物细胞组蛋白H4的N末端进行突变，但在酵母和哺乳动物中的研究均证实，含有Tip60的NuA4复合物在DSBs处的快速募集，促进了DSB位点附近组蛋白H4和H2A的乙酰化。

有研究表明，组蛋白H4的N末端可以与比邻的核小体H2A-H2B二聚体表面的酸性区域相互作用。

当H4第16位赖氨酸被乙酰化后，这种相互作用被扰乱，并
抑制30 nm DNA纤维的形成，进而导致染色体去组装[8]。

因此，当DSBs处的
组蛋白H2A和H4乙酰化增加时，促进了该处染色质去组装，并形成开放而松弛
的染色质结构[9]。

Tip60失活阻碍DSBs处染色质结构的打开充分证实了组蛋白
H4乙酰化在染色质结构变化过程中的重要性[10-11]。

目前，虽然在拟南芥中也发现其DSB修复位点存在一个复杂的蛋白复合体，包括Ku70 /Ku80/DNA-PKcs三个核心蛋白、DNA双链连接复合体(XRCC4 /DNA ligase)以及MRE11 /RAD50 /NBS1(MRN)复合物[12]等，但尚未发现具有乙酰转移酶活性的蛋白被募集到DSB处并参与修复。

因此，植物细胞中DSBs处的组蛋
白H2A和H4是否发生乙酰化以及何种因子参与乙酰化过程，是进一步探索植物DSB修复机制的重要问题。

2 H2A.Z对DSB修复的影响
缺失H2A.Z或NuA4组分的细胞由于缺失了NHEJ和HR介导的DNA修复过程，因此对电离辐射更加敏感[10-11]，这表明hNuA4能否进入DNA断裂部位对于
修复至关重要。

若H2A.Z在DSBs处的交换被抑制，细胞开始无限制的进行末端
切除，导致大量单链DNA的产生和Ku70/80缺失[11]。

但当CtIP同时缺失时，这种表型即被逆转，说明H2A.Z交换的目的在于限制CtIP-MRN核酶复合物的功能。

有关H2A.Z在转录起始位点作用的研究证明了H2A.Z可能限制末端剪切，并发现在许多基因的转录起始位点两侧均由H2A.Z核小体所占据，其作用可能在于
维持该区域DNA处于无核小体结构，以便转录因子进入[13]。

通常，DSBs处均
为无核小体的区域[14]。

H2A.Z在DSB两侧制造了1个与基因转录起始位点相似的结构。

因此，DSB两侧的H2A.Z在限定无核小体区域的同时，抑制了CtIP-MRN复合物的末端剪切功能。

综上所述，H2A.Z的交换和H4乙酰化为真核细胞DSB进一步的处理和最终的修复提供了基础。

3 染色质结构对DNA修复蛋白的影响
NuA4调控的染色质构型变化对DSB修复具有显著的影响[10-11]。

通常，H2A.Z 替换和H4乙酰化可以通过促进组蛋白H4泛素化和甲基化，诱导DNA损伤依赖型染色质结构形成。

hNuA4组分(如p400、Tip60或Trrap)失活，H2A/H2AX 的泛素化作用则会被抑制，后续蛋白因子，如brca1，53BP1和rad51在染色质上的组装也被抑制[10-11]。

研究还发现，DNA修复蛋白53BP1的招募机制非常复杂，它能被RNF8/RNF168调控的泛素化过程所调节[15]。

但53BP1自身并不具备可识别的泛素结合结构域。

有证据表明,53BP1在DSBs处结合需要H4乙酰化[10]和H4K20甲基化[16]。

实际上，53BP1可以结合在组蛋白H4二甲基化的第20位赖氨酸上[16]。

由于哺乳动物细胞中有超过80%的H4K20被二甲基化，因此DSBs处H4乙酰化的增加可能具有促进染色体解旋以及为53BP1提供
H4K20me2结合位点的双重功能。

同样，H2A/H2AX的泛素化作用也为53BP1的结合创造了条件。

但suv-20h H4K20me2甲基转移酶缺失的小鼠中，没有
H4K20me2，53BP1在DSB处的招募也能够发生[17-18]，说明H4K20me2可能并非53BP1在DSBs处结合必须。

由于53BP1具有促进DNA末端间相互作用的功能[19-21]，该蛋白因子的结合能够在DNA损伤发生后起到稳定染色质结构的作用。

因此，核小体中H2A.Z的替换诱发了一系列组蛋白的修饰过程(如组蛋白H4的乙酰化和染色质的泛素化)，并因此释放出位于核小体内部的H4K20me2，以促进53BP1和brca1复合物在染色质上聚集。

由于H2A.Z的替换本身涉及染色质结构的变化，在拟南芥中也发现H2A.Z能够使核小体处的DNA维持开放状态[22]，并抑制DNA甲基化[23]。

由此推测,植物H2A.Z可能也参与DSB处染色质结构变化的早期调控，但如何调控尚未见报道。

毫无疑问，这些早期的结构变化对调控真核细胞DSB修复蛋白复合体在DNA损伤处的有序结合非常重要。

4 展望
由于染色质结构极其复杂，真核细胞必须综合各种修复机制维持遗传信息的完整和
稳定。

目前认为，不同染色质结构域的组蛋白修饰模式、结合蛋白种类以及核小体组装程度均显著不同，导致每种染色质构型均需一种特殊的蛋白复合体来调整DSBs处的染色质结构。

DSB修复的早期事件对后期DNA的修复至关重要。

除此之外，其他一些参与染色质重构的过程也不能忽视，如同源搜索和末端切除等过程。

因此，这些过程仍是未来研究DNA修复机制的主要方向。

在植物体内，DSB主要通过非同源末端连接(NHEJ)和同源重组来修复，而NHEJ
修复的非精确性会导致基因组中引入突变、碱基缺失或插入。

鉴于此，近年来对植物细胞DNA损伤修复机制的研究引起了国内外科研工作者的广泛关注。

研究植物DNA损伤修复相关元件，如DNA-HK、Ku异二聚体、
MER11/RAD50/NBS1(MRN)复合物等蛋白的相互作用及其在DNA损伤修复过程中的调控作用，为了解植物基因突变发生机制和定向诱变育种提供了理论依据[24]。

近期在拟南芥中发现了一类对DNA双链断裂修复起重要作用的sRNA—
diRNAs(DSB-induced small RNA)，研究表明，这些diRNA可以特异性地从DSB的邻近序列产生(其产生依赖于蛋白激酶ATR、RNA聚合酶IV和DCLs)，后被AGO2蛋白招募而起作用，在拟南芥中, 这些因子的突变可导致DSB修复效率
降低[24]。

diRNA也可在人细胞中产生并参与DSB修复，表明diRNA在真核生
物DNA双链断裂修复过程中具有保守的重要功能[24]。

由于植物和哺乳动物
DNA修复机制基本相同，且主要参与修复的蛋白具有一定的同源性[24-25]。

因此，对哺乳动物DNA断裂处修复机制的探索能够为研究水稻、小麦等作物DSB修复
提供可靠的分子生物学信息。

综上所述，借助新的技术和研究手段，在深入了解拟南芥、水稻等模式植物DSB
修复机制的基础上，探索植物DSB修复过程中表观遗传密码的变化模式，可能是
未来研究植物耐逆及可获得抗性机制新的方向，同时为农作物诱变育种和分子育种提供新的参考依据。

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