染色体重构(chromatin remodelling)之INO80和SWR1

INO80和SWR1复合体属于ATP依赖性染色质重构复合体的INO80亚家族，可以和核小体相互作用，通过使核小体沿着DNA滑动或改变核小体内部的组蛋白达到染色质重构效果。此时，INO80和SWR1复合体促进调控因子募集到DNA上。

与其他染色质重构复合体的区别在于INO80和SWR1含有一个具有独特“裂开”ATP 酶结构域（split ATPase domain）的核心ATP酶（也叫Rvb蛋白），该酶和细菌RubB（Holliday 结DNA解旋酶：Holliday junction DNA helicase）部分同源。INO80和SWR1能够结合到组蛋白H2A变异体H2AX和H2A.Z上，在转录，复制和DNA修复过程中改变染色质的结构。以下部分主要从作用机理和生物学功能两个方面描述INO80和SWR1复合体。

1、INO80和SWR1复合体的组成

芽殖酵母INO80复合体由核心ATP酶，Ino80（肌醇代谢所需），Rvb1，Bvb2，Act1（肌动蛋白），Arp4（肌动蛋白相关蛋白），Arp5，Arp8，Nhp10（“非组蛋白”蛋白），Taf14（TATA 连接蛋白相关因子），Ies1（Ino第八亚基），Ies2，Ies3，Ies4，Ies5，Ies6组成.芽殖酵母SWR1复合体包含14条多肽链：核心ATP酶，Swr1，Rvb1，Rvb2，Act1，Arp4，Arp6，Swc2（Swr 复合体），Swc3，Swc4，Swc5，Swc6，Swc7，Yaf9（人白血病蛋白AF9的酵母同源蛋白）和Bdf1（bromodomain因子）。

2、重构作用机理

核小体是染色质的基本单位，由147bpDNA包裹折叠成1.65圈左手超螺旋，超螺旋上有核心组蛋白（包括H2A，H2B，H3和H4）之一双拷贝形成的八聚体。INO80和SWR1复合体与核小体的相互作用可能与肌动蛋白和Arp（肌动蛋白相关蛋白）亚基相关，这种作用在每个复合体中可能与核心ATP酶中保守的HSA（helicase-SANT-associated）结构域有关。INO80亚家族的染色质基质包括组蛋白H2A变异体（H2AX and H2A.Z）。值得注意的是，在核小体内，Nhp10和Arp4调节INO80复合体与磷酸化H2AX（γ-H2AX，酵母中的H2A）的相互作用（SWR1也许也通过Arp4调节γ-H2AX），而SWR1复合体与H2A.Z-H2B的相互作用则是由Swc2亚基和Swr1亚基的N末端进行调控的。

INO80复合体具有ATP依赖性DNA解旋酶活性，体外研究中尤其偏好与结合到“four-way junction”或“three-way junction”的DNA结构上，这种特点和它在同源重组和DNA复制中所起作用有关。体外研究显示，INO80的重塑作用以ATP依赖的方式使核小体沿着染色质模板上滑动，但是详细的重塑步骤以及其与INO80解旋酶活性的关系尚未可知。

INO80可以让单个核小体从染色质末端沿着DNA移动到中心位置，这个功能也许是核小体空间间距形成的原因。此外，INO80在体内与核小体的废弃（nucleosome eviction）有关。

体外实验证明，在具有H2A.Z变异体的核小体中，SWR1复合体利用ATP水解产生的能量逐步的、间接地替换典型的H2A。SWR1首先结合到AA核小体（包括两个H2A-H2B 二聚体）和一个游离的H2Z/Z-HZB二聚体的一端，介导SWR1ATP酶活性的超活化，核小体H2A-H2B的解离和H2A.Z-H2B的凝集。接着，AZ核小体（包括一个H2Z-H2B二聚体和一个H2Z.Z-H2B二聚体）从SWR1上掉落形成一个中间产物。最后，SWR1又可特异性的结合到AZ核小体的A处，导致第二个组蛋白替代，形成ZZ核小体（包含两个H2A.Z-H2B 二聚体）。但此过程的逆过程（ZZ到AZ,AZ到AA或ZZ直接到AA）尚未研究清楚。芽殖酵母中，SWR1复合体和NuA4复合体（一个组蛋白乙酰转移酶复合体）共用四个亚基（Act1, Arp4,Yaf9,and Swc4）。这两个复合体共同调节H2A.Z凝集到核小体。目前的研究显示SWR1能够被招募到染色质主要得益于和NuA4复合体之间共用的亚基。除此之外，SWR1的招募也依赖于Bdf1，Bdf1能够识别被NuA4乙酰化修饰的组蛋白H4。一旦招募发生，SWR1复

合体将会用H2A.Z变异体来替代组蛋白H2A去经受NuA4的乙酰化作用。

3、INO80复合体的生物学功能

大约20%的酵母基因的转录调控（不论是负调控还是正调控）受到INO80家族复合体的调节。例如，转录因子Pho4结合到PHO5启动子上启动了INO80，SWI/SNF（全称switch/sucrose nonfermentable，也是一个核小体重构复合体）和SAGA

（Spt/Ada/Gcn5/acetyltransferase的简写，是一个组蛋白乙酰基转移酶复合体）的招募。三个复合体聚合后再启动子区域发挥核小体重构作用，增加了转录装置的DNA亲和性。

酵母INO80通过和γ-H2AX的相互作用而结合到DNA双链断裂位点。该举动促进了断裂位点周围核小体的释放，有利于高效率的招募DNA修复装置，例如MRX

（Mre11-Rad50-Xrs2）和Mec1（一个细胞周期监测点激酶）复合体。INO80在紫外损伤修复中也起着作用。

正常条件下，酵母INO80可能通过驱使核小体滑动或释放使复制叉（replication fork）高速前进。在复制压力时，INO80复合体可能在受压复制叉处重构核小体，从而促进复制叉的稳定，重启DNA合成，越过DNA损伤。INO80的Ies4亚基磷酸化调控着复制检测点（replication checkpoint）。INO80复合体也在端粒调控，着丝点稳定性调控和染色体分离中起着作用。

4、SWR1复合体的生物学功能

SWR1促使H2A.Z在启动子周围的非核小体区域（nucleosome-free region）沉积进入核小体（SWR1deposits H2A.Z into nucleosomes flanking the nucleosome-free region around promoters）。H2A.Z沉积进入核小体之后，可能会改变核小体的稳定性和动力学性质，也可能易化或抑制其他因子的招募。故而，H2A.Z进入核小体可对转录进行正调控和负调控。已有研究表明，SWR1复合体在双链断裂损伤位点和NuA4复合体协作发挥作用，用H2A.Z 替换γ-H2AX，这个措施也许进一步的易化了损伤因子和检测点因子集团的招募。

SWRI在亚端粒区域将H2A.Z交换进入基因内，能够抑制异染色质向常染色质区域的延伸。因此，H2Z.Z的沉积也许能保护基因免于沉默信息调控因子（SIR）依赖的端粒沉默作用的伤害。而在高等真核细胞中，H2A.Z也在基因沉默和异染色质形成中发挥作用。