真核生物基因組的活性主要取決于核小體，不僅因?yàn)楹诵◇w定位在DNA鏈上，還因?yàn)楹诵◇w內(nèi)組蛋白的精確化學(xué)結(jié)構(gòu)是決定一段染色質(zhì)包裝程度的主要決定因素。

（一）組蛋白乙酰化的影響

組蛋白可進(jìn)行不同類型的修飾，其中研究最為深入的是組蛋白乙?；╤istone acetylation）修飾，即每個(gè)核心組蛋白N端的賴氨酸連上乙?；颍▓D2-11）。

這些經(jīng)過修飾的N末端從核小體核心八聚體（圖2-12）伸出突出的尾，它們的乙酰化使組蛋白對DNA的親和力降低，同時(shí)使30nm染色質(zhì)纖絲變得不穩(wěn)定，降低了核小體之間的相互作用。異染色質(zhì)中的組蛋白一般不被乙?；?，而功能域中的組蛋白常被乙酰化，這些清楚地表明這種類型的修飾與DNA包裝相關(guān)。

圖2-11　四個(gè)核心組蛋白N端區(qū)域上結(jié)合乙?；ˋc）的位置（每個(gè)序列開始于N端的氨基酸）

圖2-12　核小體核心八聚體的兩種觀察結(jié)果

左邊的視圖是從桶狀八聚體的頂部往下看，右邊的視圖是從側(cè)面看。八聚體包含中間兩個(gè)組蛋白H3和兩個(gè)組蛋白H4亞基組成四聚體，它們上、下方為一對H2A和H2B。注意從核心八聚體伸出的組蛋白N端尾部

組蛋白乙酰化與基因組表達(dá)的相關(guān)性于1996年被發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)經(jīng)過幾年的努力，人們終于首次分離出了催化組蛋白添加乙?；拿?，即組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶（histone acetyltransferases，HATs）。當(dāng)時(shí)已經(jīng)知道對基因表達(dá)有重要影響的一些蛋白質(zhì)具有HAT活性。例如，首先被發(fā)現(xiàn)的HATs之一，即被稱為p55的四膜蟲蛋白，與酵母蛋白GCN5具有同源性，而GCN5已知可以激活轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物的裝配。類似的，哺乳動物中一種叫做p300／CBP的蛋白在多個(gè)基因的激活中都有作用，它是一種組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶。這些現(xiàn)象以及不同類型的細(xì)胞具有不同的組蛋白乙酰化方式都表明，組蛋白乙酰化在基因組表達(dá)調(diào)控中起著重要作用。

單獨(dú)的HATs可以在試管中乙?；M蛋白，但在完整的核小體中不具備活性，這表明在核中HATs幾乎不能獨(dú)立工作，而是形成多蛋白復(fù)合物。例如，酵母SAGA和ADA復(fù)合物，人類TFTC復(fù)合物。這些復(fù)合物是典型的大分子多蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，在基因組表達(dá)中催化和調(diào)節(jié)多個(gè)步驟。比如說SAGA，包含了至少15個(gè)蛋白質(zhì)，總分子量約180萬，大小約18nm× 28nm，而核小體八聚體加上DNA僅11nm×13nm，也就是說它比核小體還要大，和30nm染色質(zhì)纖絲相當(dāng)了。SAGA復(fù)合物包括一系列與TATA結(jié)合蛋白（TBP）相關(guān)的蛋白，像具有HAT活性的GCN5，在起始基因表達(dá)過程中起作用，5個(gè)TBP相關(guān)因子輔助TBP行使其功能。SAGA和其他HAT復(fù)合物都非常復(fù)雜，在這些復(fù)合物中很多蛋白在基因表達(dá)起始過程中發(fā)揮著各自的作用，說明在基因活化的整個(gè)過程中，各個(gè)單獨(dú)的事件都是緊密連接的，組蛋白乙酰化是一個(gè)完整的部分，卻也只是整個(gè)過程的部分。

HAT蛋白至少有5個(gè)不同的家族。GCN5相關(guān)的乙酰化酶，或者GCNTs，都是SAGA，ADA和TFTC的組成成分，它們都和基因轉(zhuǎn)錄活化相關(guān)，同時(shí)也參與損傷DNA的修復(fù)，尤其是紫外照射引起的雙鏈缺損的修復(fù)。另外一類HAT，稱之為MYST，得名于其同家族的4個(gè)蛋白首字母，它們同樣參與了轉(zhuǎn)錄激活和DNA修復(fù)，也被揭示參與細(xì)胞周期的調(diào)控，只不過這可能反映DNA修復(fù)功能的另一方面，因?yàn)榛蚪M廣泛受損的時(shí)候，細(xì)胞周期會停滯。不同的復(fù)合物乙?；煌M蛋白，并且一些復(fù)合體可以乙?；c基因表達(dá)相關(guān)的其他蛋白，例如通用轉(zhuǎn)錄因子TFⅡE和TFⅡF。因此，HATs蛋白功能多樣，參與了基因組的表達(dá)、復(fù)制和維持。

（二）組蛋白去乙?；囊种谱饔?/p>

基因活化應(yīng)該是可逆的，否則被活化的基因?qū)⑹冀K保持激活狀態(tài)。因此，存在一套能去除組蛋白末端的乙?；鶊F(tuán)的酶也就不奇怪了，由此來逆轉(zhuǎn)上述的HATs的轉(zhuǎn)錄激活效應(yīng)。這是組蛋白去乙?；福╤istone deacetylases）（HDACs）的功能。HDAC活性和基因沉默之間的聯(lián)系建立于1996年，此間第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的哺乳動物HDAC與酵母轉(zhuǎn)錄抑制因子Rpd3蛋白存在相關(guān)性。正如乙酰化與基因活化的關(guān)系一樣，去乙?；c基因沉默也同樣存在相關(guān)性。人們早先認(rèn)為這兩類蛋白具有不同活性，原來實(shí)際上是相關(guān)的。這些是在基因和蛋白質(zhì)功能研究中體現(xiàn)出同源分析價(jià)值的優(yōu)秀范例。

像HATs一樣，HDACs被包含在多蛋白復(fù)合體中。哺乳動物Sin3復(fù)合體是一種至少7種蛋白質(zhì)組成的復(fù)合體，包括HDAC1和HDAC2及其他無去乙?；钚缘珜Υ诉^程提供了必要輔助功能的蛋白質(zhì)。輔助蛋白質(zhì)如Sin3復(fù)合體成員RbAp46和RbAp48，它們被認(rèn)為有助于結(jié)合組蛋白。對RbAp46和RbAp48最初的認(rèn)識來自于其與視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤蛋白的結(jié)合。視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤蛋白通過抑制多種不同基因的表達(dá)調(diào)控細(xì)胞增殖，直到需要這些基因的活性時(shí)才解除抑制，而在突變時(shí)則導(dǎo)致癌癥。Sin3和這個(gè)與癌癥相關(guān)蛋白之間的聯(lián)系強(qiáng)有力地證明了基因沉默中去乙?；磻?yīng)的重要性。在哺乳動物中其他去乙酰化復(fù)合體包括NuRD，通過一系列的輔助蛋白質(zhì)與HDAC1和HDAC2結(jié)合；而酵母Sir2與其他HDACs不同，因?yàn)樗枰芰俊ir2的特性表明HDACs實(shí)際上比以前認(rèn)識到的更為多樣化，可能組蛋白去乙酰化酶還有其他新功能有待發(fā)掘。

對HDAC復(fù)合體的研究開始揭示了基因組活化與沉默不同機(jī)制之間的聯(lián)系。Sin3與 NuRD復(fù)合體中都含有甲基化DNA結(jié)合蛋白，并且NuRD包含與核小體重塑復(fù)合物Swi／Snf組分非常相似的蛋白質(zhì)。NuRD實(shí)際上被認(rèn)為是經(jīng)典的體外核小體重塑器。進(jìn)一步的研究必將揭示不同類型的染色體修飾系統(tǒng)之間的其他聯(lián)系，但實(shí)際上這些系統(tǒng)可能僅是一個(gè)單一的宏大體系的不同部分。

（三）組蛋白其他修飾方式

賴氨酸的乙?；腿ヒ阴；茄芯孔顬樯钊氲慕M蛋白修飾方式，但絕不是唯一的類型。已知還有其他三類的共價(jià)修飾方式：①組蛋白H3、H4的N端賴氨酸和精氨酸殘基的甲基化。原來認(rèn)為甲基化都是不可逆的，因此會造成染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的永久性改變。隨著賴氨酸和精氨酸去甲基化酶的發(fā)現(xiàn)，這種觀點(diǎn)受到了挑戰(zhàn)，但總的來說，甲基化修飾還是相對長期的。②H2A、H2B、H3、H4的N端的絲氨酸磷酸化。③H2A和H2B的C末端賴氨酸的泛素化，就是將常見的叫做泛素的小分子或稱為SUMO的蛋白加到賴氨酸上。

像乙?；粯?，這些修飾方式也可以影響染色質(zhì)結(jié)構(gòu)并對細(xì)胞活性具有重要影響。例如，組蛋白H3及組蛋白H1的磷酸化也與中期染色體的形成相關(guān)，并且組蛋白H2B的泛素化是泛素調(diào)控細(xì)胞周期功能的部分體現(xiàn)。組蛋白H3的N末端第4與第9位賴氨酸殘基的甲基化效應(yīng)尤其有趣。第9位賴氨酸的甲基化形成一個(gè)HP1蛋白的結(jié)合位點(diǎn)，而HP1蛋白可引發(fā)染色質(zhì)包裝并使基因表達(dá)沉默，但在第4位賴氨酸加上兩個(gè)或三個(gè)甲基之后，其效應(yīng)卻是相反的，它可促進(jìn)形成開放的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)基因活化。在β珠蛋白功能域及其他可能位置，第4位賴氨酸的甲基化排斥NuRD去乙酰化酶，使其不能與組蛋白H3結(jié)合，確保組蛋白保持乙?；癄顟B(tài)。因此第4位賴氨酸甲基化和組蛋白乙?；@兩種修飾類型可能協(xié)同作用活化染色質(zhì)區(qū)域。

總的來說，4個(gè)核心組蛋白N端和C端共有29個(gè)位點(diǎn)可以被共價(jià)修飾（圖2-13）。目前我們對不同組蛋白修飾及不同修飾類型共同作用途徑的認(rèn)識在增長，這提示我們存在一個(gè)組蛋白密碼（histone code），即通過它們化學(xué)修飾的形式來確定特定的基因組區(qū)域在特定時(shí)間被表達(dá)，還決定了基因組生物學(xué)的其他方面，如損傷位點(diǎn)的修復(fù)、基因組復(fù)制和細(xì)胞周期的協(xié)調(diào)等。盡管這個(gè)概念還有待證實(shí)，但很明確的是，基因組內(nèi)的特異組蛋白修飾的形式與基因活性是緊密相關(guān)的。比如，對人第21、22號染色體的研究發(fā)現(xiàn)，在這些染色體上發(fā)生H3第4位賴氨酸三甲基化以及第9、第14位賴氨酸乙?；膮^(qū)域正好對應(yīng)著活化基因的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)（圖2-14）。至于研究染色質(zhì)修飾的各方面，一個(gè)關(guān)鍵的問題是要分清因果關(guān)系：組蛋白修飾的形式?jīng)Q定了特定基因的活化，或者僅僅是基因活化的副產(chǎn)物。

圖2-13　哺乳動物組蛋白H3、H4的N端修飾

Ac為乙?；?；Me為甲基化；P為磷酸化

如圖2-14顯示的是人第21、22號染色體的片段，每段100kb。肺成纖維細(xì)胞中，相對已知基因的富含第4位賴氨酸雙甲基化、三甲基化和第9、14位賴氨酸乙?；膮^(qū)域被標(biāo)識。圖中箭頭指示了基因轉(zhuǎn)錄的方向。

圖2-14　組蛋白修飾的形式與基因活性的關(guān)系