(整理)染色體的復(fù)制以及表觀基因組維持

1、染色體的復(fù)制以及表觀基因組維持 表觀基因組完整性以及相關(guān)疾病癌癥的發(fā)展是以全基因組和表觀基因組的改變?yōu)樘卣鞯摹Ｔ谶@里我們討論了遺傳和表觀 遺傳的不穩(wěn)定性之間的相互影響，這顯著表明染色質(zhì)畸變也許是復(fù)制缺陷的結(jié)果。1. 當(dāng)染色質(zhì)維護(hù)失敗時(shí)異染色質(zhì)的缺陷會(huì)增加基因組的不穩(wěn)定性，而且會(huì)提高腫瘤發(fā)生的機(jī)率。這個(gè)現(xiàn)象可以在 患有ICF(免疫缺陷，著絲粒不穩(wěn)定，以及面神經(jīng)畸形)綜合癥的病人身上發(fā)現(xiàn)，ICF綜合癥 在人體內(nèi)是由于DNMT3B的突變導(dǎo)致的，同時(shí)也發(fā)生在缺少SUV39H或者DNMT1基因 的小鼠身上。DNA的低甲基化頻繁的的癌癥中出現(xiàn)，并且全基因組分析已經(jīng)表明結(jié)腸癌細(xì) 胞中的將近一半的基因組受大范

2、圍的DNA低甲基化的影響。在癌癥中觀察到的染色質(zhì)改變 包括：位于重復(fù)區(qū)域的H4K16ac和H4K20me3的喪失以及H3K9me2區(qū)域的減少。我們 現(xiàn)在還不了解這些畸變是怎么發(fā)生的，它們是否會(huì)促進(jìn)基因的不穩(wěn)定性，但是考慮到染色質(zhì) 結(jié)構(gòu)，復(fù)制起始以及染色體的不穩(wěn)定性三者發(fā)生上的聯(lián)系，它們對(duì)于復(fù)制調(diào)控的影響值得我 們注意。染色質(zhì)組裝上的缺陷也可以對(duì)基因組的完整性造成威脅。在酵母菌中，核小體的裝配損傷 可以導(dǎo)致復(fù)制叉的破壞DNA的損傷染色體的高度重組以及大范圍的染色體重排RTT109 (Ty1 transposition 109 )的H3K56乙?；D(zhuǎn)移酶調(diào)節(jié)物，以及Asfl組蛋白分子伴侶對(duì) 于DN

3、A的復(fù)制穩(wěn)定性也是十分重要的。在人類身上，一個(gè)參與調(diào)控ASF1的功能的基因突 變和一種罕見的伴隨有嚴(yán)重的染色體畸變以及染色體復(fù)制缺陷的貧血癥有關(guān)。更重要的事染 色體的裝配缺陷已經(jīng)被證明與人體內(nèi)的細(xì)胞衰老和酵母菌中的復(fù)制衰老有關(guān)。這項(xiàng)工作暗示 染色體的損傷可以在細(xì)胞的生命周期中積累，具有導(dǎo)致DNA損傷的潛在趨勢(shì)。異染色質(zhì)區(qū) 對(duì)于基因組的穩(wěn)定性尤其具有挑戰(zhàn)性。由于缺少組蛋白的去乙?；蛘呤侨旧w重建而導(dǎo)致 的這些片段保存失敗會(huì)導(dǎo)致染色體的斷裂并且阻礙有絲分裂過程中的染色體分離。復(fù)制壓力促進(jìn)表觀遺傳的不穩(wěn)定性復(fù)制的失控同時(shí)危害到了 DNA 和染色體的完整性，因而對(duì)于有機(jī)體表現(xiàn)出雙重的威脅。 考慮到癌

4、基因的活動(dòng)包括不定時(shí)的復(fù)制起始，復(fù)制叉停滯或者破壞都會(huì)導(dǎo)致復(fù)制壓力，復(fù)制 的失控可能和癌癥過程中表觀遺傳的失常有關(guān)。鑒于組蛋白動(dòng)力學(xué)和復(fù)制過程的緊密偶聯(lián)， 許多種類的染色質(zhì)損傷都可以被設(shè)想成是和復(fù)制壓力相關(guān)的：首先，親本的組蛋白再利用或 許會(huì)因?yàn)閺?fù)制叉的停滯而被破壞，可能導(dǎo)致無根據(jù)的表觀基因信息的丟失或者是獲得。第二， 復(fù)制壓力也許會(huì)改變組蛋白和DNA的修飾。最后，復(fù)制叉的瓦解也可以導(dǎo)致更加劇烈的染 色體重排，這也留下了潛在的表觀遺傳的印記。如果 DNA 的合成不和親本的組蛋白再利用相偶聯(lián)，復(fù)制的缺陷可以導(dǎo)致基因沉默的喪 失。這個(gè)陳述可以在具有REV1缺陷的小雞DT40細(xì)胞中被發(fā)現(xiàn)，REV1是

5、一種Y家族的跨 損傷DNA聚合酶，它可以促進(jìn)G-4鏈結(jié)構(gòu)的形成。在REV1刪除的情況下，細(xì)胞漸漸地失 去了對(duì)優(yōu)求蛋白位點(diǎn)的的抑制，而這種蛋白可以庇護(hù) G4結(jié)構(gòu)的形成，這和該位點(diǎn)上的 H3K9me2的喪失以及H4的乙?；嘘P(guān)。一旦失去，沉默也不能通過REV的重新表達(dá)來 恢復(fù)，這和表觀遺傳上的改變是一致的。損傷旁路最可能發(fā)生在REV1缺陷的細(xì)胞中，這會(huì) 導(dǎo)致400-3000kb的不復(fù)制的缺口。這一結(jié)果暗示不和親本的組蛋白循環(huán)的DNA合成導(dǎo)致 了抑制性組蛋白標(biāo)記的喪失。在芽殖酵母中，未復(fù)制的的缺口的填充可以被延遲到G2期， 到那個(gè)時(shí)候新的組蛋白也許會(huì)被合成。是否在哺乳動(dòng)物中是這種情況以及它怎樣影響表

6、觀遺 傳的基因的調(diào)控仍然未知。不按計(jì)劃的組蛋白修飾和沉默因子的募集造成的復(fù)制叉進(jìn)程受阻也許也會(huì)增加基因沉默在粟酒裂殖酵母中，復(fù)制壓力能夠?qū)е鲁龀聊慕雍衔稽c(diǎn)區(qū)域的異染色質(zhì)擴(kuò)散，并且一 種已知的的參與HDACs招募的CENPB異染色質(zhì)蛋白能夠穩(wěn)定那些在長(zhǎng)末端重復(fù)逆轉(zhuǎn)座子 發(fā)生停滯的復(fù)制叉。在芽殖酵母中，招募SIR蛋白到那些在人為或者是自然狀態(tài)下的暫停位 點(diǎn)有助于基因沉默o rRNA重組突變3( Rrm3)解旋酶正常情況下能夠降低蛋白質(zhì)DNA結(jié) 合造成的復(fù)制阻礙，這種蛋白的移除提高了 SIR的招募，這也暗示更長(zhǎng)時(shí)間的暫停增加了沉 默的可能性。這種應(yīng)答是否有一定程度上的好處現(xiàn)在仍不清楚，旦是有證據(jù)

7、顯示哺乳動(dòng)物中 存在一個(gè)一個(gè)相似的現(xiàn)象：三聯(lián)體重復(fù)的擴(kuò)展能夠使得獨(dú)立于染色體之外的報(bào)告基因發(fā)生雜 色沉默( varigated silencing) ,由于三核苷酸重復(fù)很容易形成妨礙復(fù)制的發(fā)卡狀二級(jí)結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)，這項(xiàng)關(guān)于小鼠的研究支持了關(guān)于復(fù)制叉停滯和不安計(jì)劃的基因沉默之間存在聯(lián)系的觀 點(diǎn)。當(dāng)復(fù)制叉的形成過程受阻時(shí)，親本的或者是新合成的組蛋白無法正常結(jié)合到新復(fù)制產(chǎn)生 的DNA上。他們暫時(shí)的和ASF1結(jié)合，并且定量質(zhì)譜分析顯示這一過程中H3K9me標(biāo)記 增加了。結(jié)合這些組蛋白到重新開始的復(fù)制叉上反過來也能導(dǎo)致H3K9me在初期染色體上 的表達(dá)水平提高。這也許促進(jìn)了不按計(jì)劃進(jìn)行的基因沉默，因?yàn)镠3K

8、9me1和H3K9ac可 以相互作用，并且他也可能為H3K9me1的合成做準(zhǔn)備。甲基化程度增加這一現(xiàn)象也被報(bào) 道存在于有嚴(yán)重的復(fù)制損傷的細(xì)胞中。在原代培養(yǎng)的細(xì)胞中，細(xì)胞早衰作為對(duì)復(fù)制壓力和癌 基因刺激的應(yīng)答和細(xì)胞內(nèi)H3K9me的整體水平增加有關(guān)。因?yàn)椋绻?xì)胞衰老是被非復(fù)制 依賴的損傷誘發(fā)的，H3K9me3就含量不會(huì)增加，那么我們有理由懷疑不按計(jì)劃進(jìn)行的基因 沉默起始于復(fù)制叉停滯的位點(diǎn)。這一系列的證據(jù)強(qiáng)調(diào)了染色質(zhì)的完整性以及表觀基因的調(diào)控容易受復(fù)制壓力的影響。許多 導(dǎo)致復(fù)制叉的瓦解的復(fù)制損傷或者是同源重組導(dǎo)致的 DNA 修復(fù)或許對(duì)于染色質(zhì)景觀(chromatin Iandscape)具有更為嚴(yán)

9、重的影響。但是我們現(xiàn)在幾乎不知道關(guān)于修復(fù)受損復(fù) 制叉過程中出現(xiàn)的協(xié)調(diào)染色質(zhì)動(dòng)力學(xué)的分子機(jī)制。在酵母菌中In08O染色質(zhì)重建蛋白被招 募并到被阻斷的復(fù)制叉上，他也許能夠識(shí)別復(fù)制重啟以及DNA修復(fù)中的核小體結(jié)構(gòu)。在人 類細(xì)胞中TONSL-能夠被招募到損傷的復(fù)制叉上。MMS22L被認(rèn)為能夠通過取代單鏈DNA 上的復(fù)制蛋白A(RPA)以及促進(jìn)RAD51的裝載來介導(dǎo)同源重組修復(fù)。有趣的是,TONSL 和ASF1 FACT以及組蛋白相互合作用，這暗示MMS22L的功能是和核小體的組裝和降解 相互聯(lián)系的。A. thaliana TONSL同源物的突變顯著體現(xiàn)了它在表觀基因組以及基因組維護(hù) 中的雙重作用，因?yàn)?/p>

10、BRU1突變體對(duì)于能夠?qū)е聫?fù)制叉停滯的DNA烷化劑高度敏感，并且 表現(xiàn)出隨機(jī)的基因沉默以及發(fā)育缺陷。染色體構(gòu)建，染色體架構(gòu)以及 DNA 復(fù)制之間的相互聯(lián)系很復(fù)雜并且和發(fā)育中以及成熟 有機(jī)體中的表觀基因組的維護(hù)有關(guān)。它們的基本性質(zhì)以及與疾病的關(guān)聯(lián)現(xiàn)在仍然不清楚。是 什么規(guī)則調(diào)控了復(fù)制的時(shí)間？染色體三維結(jié)構(gòu)的聯(lián)系是什么？什么時(shí)候我們能夠走出關(guān)于 復(fù)制區(qū)域的組織以及精心安排的激發(fā)了整個(gè)發(fā)育過程的內(nèi)在起源順序。要想獲得問題的答案 明顯要求我們搭起核結(jié)構(gòu)以及復(fù)制之間的研究橋梁。當(dāng)涉及到憑借復(fù)制叉在整個(gè)染色體上移 動(dòng)并且適時(shí)地離開妥善包裝的子鏈的潛在的機(jī)制時(shí)，關(guān)于表觀遺傳物質(zhì)的繼承和探測(cè)細(xì)胞中 染色質(zhì)復(fù)制的新技術(shù)引起了人們強(qiáng)烈的興趣，并且這也將成為這一領(lǐng)域快速發(fā)展過程中極有 前途的研究方向。染色體復(fù)制以及恢復(fù)過程在特定的位點(diǎn)上進(jìn)行看起來是可信的。因此，