撰文 | 十一月
責編 | 兮
細胞分裂過程中，染色質的遺傳是保持細胞表觀遺傳記憶的核心。而目前關於DNA複製、細胞周期以及表觀遺傳組學之間關係的機制分析為複製偶聯的染色質裝配和複製後染色質的維持提供了一些見解。
為了對這些新穎的機制進行總結，近日，丹麥哥本哈根大學Anja Groth研究組在Nature Cell Biology發表綜述文章題為Chromatin replication and epigenetic cell memory，Bioart對此文章進行編譯以饗讀者！
在真核生物中，染色質將基因組包裝和組織起來，免受環境脅迫的影響。同時在細胞有絲分裂周期內對以DNA為基礎進行一系列活動例如DNA損傷修復、轉錄、染色體分離、轉座子元件等進行抑制【1,2】。而高通量測序技術的發展為染色質保存轉錄程序、表觀遺傳標記、發育及疾病等方面的大規模研究鋪平了道路【3,4】。雖然在核小體發現之後引起了大家的研究興趣【5】，但是關於DNA複製過程和細胞周期是如何影響染色質以及表觀遺傳組學特徵的還很不清楚。目前表觀遺傳領域的研究已經有了長足的進展，但是仍然有一個長期的疑惑橫亙在科學家們的心中：當細胞分裂的時候，功能性的染色質狀態是如何在代際之間進行傳播的？
本篇綜述按照時間線進行組織，首先對DNA複製偶聯的染色質組裝的機制進行總結，其次是通過有絲分裂在子代細胞中如何確保染色質的成熟，為染色質複製與細胞表觀遺傳學記憶的研究提供一個全面的匯總。
染色質複製過程
在細胞進入有絲分裂時期後，蛋白質和RNA會從DNA上脫離下來。新複製的染色質表觀遺傳狀態的重建需要染色質組分在複製叉之後重新組裝【6】。核小體是染色質的基礎組成單元，包含兩分子的H2A-H2B和兩分子的H3-H4組成的八聚體結構，八聚體被DNA環繞並且兩個串珠狀八聚體之間由linker DNA相連【7】（圖1）。組蛋白上存在多種翻譯後修飾，包括磷酸化、乙醯化、甲基化、泛素化和ADP-核糖體化。組蛋白的放置（Deposition）和多種翻譯後修飾在基因調控中起直接作用【8】，因此，這些特徵的遺傳可能賦予細胞記憶。
核小體在複製叉位置的組裝與DNA複製緊密結合，因此是理解染色質功能如何在細胞分裂中遺傳的關鍵切入點。染色質組裝代表了一個獨特的實驗系統，可以用以進行表觀遺傳學的研究。並且通過實驗破壞特定的染色質恢復事件，我們就可以檢測染色質狀態的長期存在與其在表觀遺傳細胞記憶中的所發揮的作用。DNA複製複合體是一個大的蛋白質-核酸複合體，除了DNA複製相關的因子之外還包括染色質複製相關的必需蛋白【9】。關於染色質複製過程中的細胞表觀遺傳記憶部分，主要包括新、舊組蛋白的核小體組裝途徑以及組蛋白的回收利用對於組蛋白翻譯後修飾的作用。
圖1 核小體結構
1. 新、舊組蛋白的核小體組裝途徑
新合成的染色質包含新舊兩種組蛋白（圖2）。在HeLa細胞中，新舊組蛋白的比例是1:1混合的，但是在特殊的基因組位置或者不同的細胞類型中略有不同。新組蛋白與舊的親代組蛋白之間有幾個方面的不同【10】。在真核生物中，新合成的組蛋白在H4K5和H4K12兩處均有乙醯化存在，而在酵母中H3K56位點也含有乙醯化修飾，這些標記對於基因組的穩定性至關重要，可能因為他們是DNA複製後核小體組裝和染色質成熟所必須的【11】。
另外，研究表明，親代組蛋白在染色質組裝和成熟過程中也保存他們的翻譯後修飾【12】。科學家們推測親代H3-H4四聚體與新合成的組蛋白進行混合以確保組蛋白表觀遺傳特徵的遺傳【13】，這一理論得到了新合成的H3-H4以二聚體形式放置的實驗結論的支持【14】。但是也有早期的研究發現，在HeLa細胞中DNA複製過程並沒有出現新舊H3-H4組蛋白的混合，而可能是由於大多數的親代H3-H4組蛋白作為一個完整的四聚體被回收利用（BioArt註：朱冰研究組2010年發表在Science上的工作）【15】（圖2）。
圖2 複製叉上核小體組裝的簡化示意圖
2. 組蛋白的重複利用促進了組蛋白翻譯後修飾的遺傳
在新組蛋白和舊組蛋白的兩個核小體組裝途徑中，新的組蛋白放置是很容易理解的。關於此領域的一個重大突破是組蛋白伴侶CAF-1鑑定以及其與複製叉存在直接相互作用【16,17】。這直接證明了染色質組裝與DNA複製過程是緊密相連的。類似的證據將親代組蛋白回收過程與DNA複製過程相連，提供了另外一個層面的調控機制。這表明，作為表觀遺傳信息的潛在載體，回收的親代組蛋白通過DNA複製與它們的基因組位置保持緊密聯繫是很重要的。
MCM2是DNA複製解旋酶的一部分，具有高度保守的N端組織結合域，可以作為H3-H4二聚體和四聚體的伴侶蛋白（圖2）。MCM2在組蛋白回收中的作用在哺乳動物細胞和酵母細胞中分別通過SCAR-seq和sSPAN技術被直接證實【18,19】。MCM2將親代組蛋白回收到滯後鏈上，這需要滯後鏈合成過程與解旋酶的緊密配合。MCM2的組蛋白結合結構域可以作為一個平臺，隔離H3-H4四聚體，然後將它們交給下遊伴隨物，直接促進滯後鏈上H3-H4的放置。
Polε是先導鏈複製的核心酶，最近也被發現在酵母細胞和哺乳動物細胞中結合H3-H4同時作為H3-H4的伴侶蛋白發揮作用【20】。由於複製叉的進展與核小體的裝配是共同調節的，所以複製叉出現問題（Fork collapse）會造成染色質缺陷。因此，組蛋白伴侶活性調節亞基POLE3/4作為H3-H4伴侶蛋白發揮作用的結構基礎，將DNA複製過程與核小體組裝過程中的作用進行了分隔，確認了POLE3/4作為類似MCM2一樣的通用的、組蛋白H3-H4回收的保護功能。在酵母中對POLE3/4同源物以及MCM2的雙突變體額外的基因沉默表型【21】說明POLE3/4以及MCM2兩種途徑協同作用，確保了沉默染色質狀態的組蛋白遺傳和維持。總的來說，複製複合體中多個與組蛋白結合的界面在動態組蛋白伴侶的幫助下為組蛋白轉移提供了一個平臺。
複製後表觀遺傳標記的成熟過程
新生的染色質具有獨特的組成和組織，必須進行廣泛的調控才能恢復到複製叉出現之前表觀遺傳狀態。這些恢復過程發生在不同的時間尺度上，表現出不同的染色質特徵，也表現出物種特異性差異，使染色質成熟成為一個複雜的、多方面的過程。複製之後染色質表觀遺傳狀態的成熟過程將從核小體組織、組蛋白修飾傳播以及抑制性染色質與活躍染色質上表觀遺傳修飾的恢復進行總結。
1. 核小體組織
核小體在全基因範圍內包裹DNA，並在局部調節轉錄和DNA修復機制的基因組可及性。直到最近，人們對DNA複製對核小體定位的影響仍然知之甚少。活性轉錄起始位點和增強子包含被轉錄因子和RNA聚合酶佔據的核小體缺失區(Nucleosome-depleted regions, NDRs)。NDRs在MNase-seq、DNase-seq、FAIRE-seq和ATAC-seq實驗中均顯示為可及區域。DNA複製過程暫時會影響調控活躍位點上典型的核小體組織結構，使得染色質結構被擾亂同時DNA的可及性也降低。
2. 組蛋白修飾傳播
組蛋白翻譯後修飾的調控和功能錯綜複雜，與其他翻譯後修飾、DNA修飾和序列特徵之間存在廣泛的相互作用。因此，組蛋白翻譯後修飾景觀的複製後傳播或者說增殖被認為是多層次和複雜的調控。在不同的模式生物細胞分裂過程中，甲基化是研究最多的組蛋白翻譯後修飾。因此，本文中主要關注組蛋白甲基化修飾，同時需要強調的是在細胞分裂過程中其他標記的維持也非常重要。
大多數證據支持這樣一種觀點：在DNA複製過程中，經過修飾的親代組蛋白被有效且準確地回收到姐妹染色單體中，這意味著新複製的染色質與親代組蛋白修飾能夠相呼應。親代組蛋白通過DNA複製來維持乙醯化和甲基化標記。親代組蛋白會被重新組織到距離原始位置很近的地方，並且通過高通量測序的方式發現親代組蛋白仍然能夠維持H3K4me3、H3K27me3、H3K36me3、H3K79me3等修飾【22】。最近在小鼠胚胎幹細胞的一項研究中，使用了類似的生物正交的組織學跟蹤方法，發現生物素標記的組蛋白在細胞周期中被抑制的區域被保存，而在許多轉錄活性位點卻沒有被保存下來【23】。這可能說明染色質上活躍區域的基因標記書籤記憶半衰期較短。
總的來說，翻譯後修飾恢復的基準線不是零，親代組蛋白翻譯後修飾在姐妹染色單體上的位置基本上不變，但是水平有所稀釋。如果新的組蛋白在複製後沒有被成功加上修飾，組蛋白翻譯後修飾後的信息將在連續的複製過程中因為被稀釋而丟失。組蛋白頻繁交換對於組蛋白翻譯後修飾的遺傳也是一大挑戰。考慮到活性染色質中組蛋白的翻譯後修飾的更新更快，這一過程可能會對活性染色質狀態的有絲分裂遺傳損害更多。另外，被修飾的新組蛋白恢復親代組蛋白翻譯後修飾的水平是不均勻的，通常相對於DNA複製和組蛋白H4乙醯化的去除，會有相當長的延遲。
染色質狀態通常通過DNA序列特徵和轉錄等活性過程進行傳播和擴展。因此，組蛋白翻譯後修飾在表觀遺傳細胞記憶中的功能是通過其與DNA序列特徵、DNA甲基化、其他組蛋白翻譯後修飾、組蛋白變體以及大規模的染色體組織的相互作用實現的。深入了解這種相互作用對於理解表觀遺傳組如何在細胞分裂中傳播或如何通過重塑改變細胞功能至關重要。
3. 抑制性與活躍染色質上表觀遺傳修飾的恢復
大多數關於組蛋白翻譯後修飾遺傳的研究都集中在以H3K27me3或H3K9me3標記為特徵的沉默狀態的染色質結構域（圖3）。H3K27me3和H3K9me3的傳播都需要一個「讀-寫」機制，在此機制中甲基轉移酶識別並被該翻譯後修飾所激活。這種正反饋循環有助於維持和傳播抑制性區域，包括DNA複製後組蛋白翻譯後修飾的恢復過程。由組蛋白修飾驅動的正反饋環網絡以及序列元素和其他染色質特徵，確保了沉默狀態的可靠表觀遺傳。
圖3 不同組蛋白翻譯後修飾在細胞周期中的波動
與抑制性區域相比，組蛋白翻譯後修飾是如何促進活性染色質狀態傳播的還不甚清楚。H3K36me3和H3K79me3是在基因體中發現的，而H3K4me3是在轉錄起始位點的啟動子中發現的。儘管H3K4甲基化和轉錄之間存在明確的正相關關係，但確定H3K4甲基化在維持活性狀態中的因果作用仍然具有挑戰性（BioRxiv | 爭鳴：H3K4me3與轉錄調控不存在因果關係）。然而，核轉移實驗證明H3K4me3是體細胞重編程的障礙，這表明它可能編碼了一種細胞記憶形式【24】。我們認為，活躍轉錄的染色質區域可能與異染色質一樣，轉錄記憶是由染色質依賴和序列依賴的特徵決定的，可能涉及到RNA聚合酶招募過程的正反饋過程以及轉錄依賴的翻譯後修飾的實現。
展 望
染色質狀態的在代際之間的傳播是表觀遺傳細胞記憶的基礎，但迄今為止還缺乏有效的研究染色質複製的全基因組方法。現有的一些高通量測序技術為理解染色質在細胞內複製和成熟的機制基礎提供了一個新的切入點。大多數研究集中在H3-H4作為染色質中最穩定的成分，但同樣重要的是分析H2A-H2B的修飾是否以及如何促進細胞分裂過程中表觀基因組的維持。此外，未來的工作將還可能會引入更多可能的機制，比如相分離驅動的核小體組織、染色體相互作用以及染色質環的存在等等。另外單分子分析技術、結構生物學、超解析度顯微鏡、Nanopore測序技術在染色質複製以及細胞表觀遺傳記憶研究過程將會提供新穎的機制方面的見解。在此基礎上，我們將對染色質複製如何發揮功能以及功能失調後在發育、衰老、癌症等細胞分裂過程的影響進行更進一步地解析。