冀顺霞, 王晓迪, 申晓娜, 刘万学, 万方浩,2, 吕志创*

1中国农业科学院植物保护研究所，植物病虫害生物学国家重点研究室，北京 100193；2中国农业科学院深圳农业基因组研究所，广东 深圳518120

温度是影响生物体生长发育的重要环境因子之一，其细微的变化能极大地影响生物的生长、发育和繁殖等行为。受全球气候变化特别是气温上升的影响，陆地生态系统的生物分布及丰富度将发生巨大改变，并将影响物种的扩散和发生成灾(Deutschetal.,2008; Paulietal.,2012)。为了探明生物体如何适应外界环境温度的变化，研究其表型可塑性尤为重要。响应环境温度变化的表型可塑性机制包含2个层次：在遗传层面，通过DNA序列改变所致基因功能变化的、长期的、不可逆的温度适应性机制(Lancasteretal.,2016)；在表观遗传层面，通过非DNA序列改变所致基因表达水平变化的、短期的、可逆的温度适应性机制(Kreβetal.,2017)。大量研究证实，表观遗传可以提供比遗传机制更快的响应机制，从而促使生物体快速适应不良环境条件(Kumar,2018; Mirouze & Paszkowski,2011; Zhangetal.,2013)。因此，近年来温度适应性的表观遗传调控研究备受关注。

染色质重塑是表观遗传学重要的组成部分之一。在真核生物中，将DNA包装到染色质对于其基因组的组织和表达至关重要(Coronaetal.,2007)，染色质构型整体和局部的动态改变是基因功能调控的重要因素。为了保证染色质中DNA与蛋白质的动态结合，细胞内进化产生了一系列特异的染色质重塑因子。在生物体受到逆境胁迫时，这些重塑因子可以介导体内染色体的重塑过程，它们通过调控胁迫相关基因的表达来改变生物体的生理状态，最终达到使生物体适应环境的目的。本文从表观遗传与温度适应性、染色质重塑复合物的分类和组成、染色质重塑的主要方式以及染色质重塑在温度适应性中的研究等方面予以综述，阐述了染色质重塑调控生物温度适应性的研究进展。

1 表观遗传与温度适应性

表观遗传是指在基因的DNA序列没有发生改变的情况下，基因功能发生了可遗传的变化，并最终导致了表型的变化。主要包括染色质重塑、组蛋白修饰、DNA甲基化以及非编码RNA这4个方面，它们可以在短时间内提高生物对环境胁迫的快速适应能力(Anetal.,2017; Stankiewiczetal.,2013)。大量研究证实，表观遗传可以提供比遗传机制更快的响应机制，从而促使生物体快速适应不良环境条件(Kumar,2018; Mirouze & Paszkowski,2011; Zhangetal.,2013)。因此，从表观遗传角度来研究生物体温度适应性成为近年来的研究热点。

1.1 表观遗传简介

表观遗传(epigenetics)一词最早由胚胎学家和发育生物学家Waddington于1942年提出，用来描述基因型如何通过与环境相互作用而产生表现型(Waddington,2012)。随后，表观遗传被定义为是一种在细胞分裂过程中无法用DNA序列改变来解释基因功能的可遗传性改变(Holliday & Pugh,1975; Robertson,1996)。目前，人们关于表观遗传的概念已达成共识，即认为表观遗传是指染色体改变所引起的稳定并且可遗传的表现型，而DNA序列并未发生变化(Bird,2007)。表观遗传为表现型与基因型之间的联系提供了一种合理的解释机制(Ghalamboretal.,2015; Jaenisch & Bird,2003)。近年来，关于表观遗传调控机制的研究主要集中在染色质重塑、DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA等方面。

1.2 表观遗传与温度适应性的研究概况

与经典遗传学不同，表观遗传学在不改变DNA序列的情况下响应环境变化而对基因表达产生快速而持久的影响(Anetal.,2017; Stankiewiczetal.,2013)。表观遗传诱导的表型变异是一种可逆的改变，可以调控生物体对环境波动的快速响应，从而提高生物对环境胁迫的适应能力(Johannesetal.,2009; Kumar,2018; Mirouze & Paszkowski,2011)。

染色质重塑因子在拟南芥Arabidopsisthaliana(L.)应对温度胁迫过程中发挥重要作用(Mlynarovaetal.,2007)。如，重塑因子AtCHR12是一种负调控因子，将AtCHR12过表达体暴露于高温胁迫环境下会导致拟南芥初生茎和初生芽的生长停滞，且生长停滞应答反应依赖于温度胁迫的严重程度。在酿酒酵母Saccharomycescerevisiae中重塑因子SNF2(sucrose nonfermenting, SNF)通过激活热激转录因子HSF1(heat shock transcription factor 1)下游基因表达或通过调节核小体定位来抑制核糖体蛋白基因表达，而在热胁迫反应过程中发挥激活或抑制基因表达的双重作用(Shivaswamy & Iyer,2008)；重塑因子SWI3(switching defective, SWI)、SNF5、SWP82、SWI1的突变频率与酿酒酵母耐高温表型呈正相关(Huangetal.,2018)。在果蝇Drosophilamelanogaster中重塑因子NURF301(nucleosome remodeling factor, NURF)缺失会导致热激蛋白基因hsp26和hsp70(heat shock protein gene, hsp)转录过程受阻(Badenhorstetal.,2002)。烟粉虱Bemisiatabaci(Gennadius)中重塑因子ISWI基因在高低温胁迫条件下会发生过表达，干扰该基因后烟粉虱成虫的耐热性和耐寒性均显著降低(Jietal.,2020)。

DNA甲基化和组蛋白修饰对生物体温度适应性也有重要影响。甲基转移酶MET 1(methyltransferase 1)和组蛋白去甲基转移酶HDMT(histone demethyltransferase)均参与针叶树对热胁迫的应答响应，为树木应对环境变化(如温度胁迫)提供快速的途径(Bräutigametal.,2013; Yakovlevetal.,2012)。抑制DNA甲基转移酶Dnmt1和Dnmt3(DNA methyltransferase, Dnmt)基因表达后，烟粉虱的温度耐受性显著下降，死亡率显著增加(Daietal.，2017，2018)。粘虫MythimnaseparataWalker体内DNA甲基转移酶在高、低温胁迫条件下表达量降低，从而在其温度耐受性中发挥某种作用(Wangetal.，2020)。赤拟谷盗TriboliumcastaneumHerbst体内的组蛋白去乙酰化酶基因HDAC(histone deacetylases)对热胁迫和冷胁迫均有反应(Chenetal.，2019)。还有研究发现，DNA甲基化和组蛋白甲基化均参与调控林蛙Ranasylvatica的抗寒能力(Hawkins & Storey,2018; Storey & Storey,2017; Zhangetal.,2020)。

此外，非编码RNA也参与调控生物温度适应性。据报道，siRNA(small interfering RNA)参与拟南芥的冷驯化调控(Putterilletal.,2004)；miRNA(microRNA)参与小麦TriticumaestivumL.的热胁迫响应的调控(Ravichandranetal.,2019)。Cappuccietal.(2019)研究表明,在果蝇中高温胁迫可以通过诱导性伴侣蛋白Hsp70的作用影响piRNA的生物合成，从而在转录后水平上增加转座因子TEs(transposable elements)的表达。有关家鸡GallusgallusdomesticusBrisson的研究表明,miR138可以抑制甲基转移酶EZH2(enhancer of zeste homolog 2)的表达来调控其温度耐受性(Kisliouketal.,2011)。

以上研究表明，表观遗传与生物体温度适应性密切相关。生物体能够通过染色质重塑、DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA等调控途径来提高自身对逆境温度的适应能力。

2 染色质重塑复合物的分类和组成

染色质重塑是表观遗传学重要的组成部分之一。在真核生物细胞内存在一系列特异的染色质重塑因子，它们可以促进染色质中DNA与蛋白质的动态结合。这些因子是多亚基复合物，利用ATP水解产生的能量，通过滑动核小体等方式改变染色质的状态，从而调控特定基因的表达(Corona & Tamkun,2004; Hopfneretal.,2012)。根据催化亚基的保守结构域，染色质重塑复合物主要分为SWI/SNF(SWI tching defective/sucrose non-fermenting)、ISWI(imitation SWI tch)、CHD(chromo helicase domain)和INO80(INO sitol requiring 80)这4个家族(Itoetal.,1997; Shenetal.,2000)。这些重塑复合物在结构上存在相似性和特异性，但在组成上存在较大差异。

2.1 染色质重塑复合物的分类

在真核生物中，将DNA包装到染色质对其基因组的组织和表达至关重要(Coronaetal.,2007)。染色质紧密的超螺旋结构限制了转录因子对DNA的接近与结合，从而抑制了基因的转录过程；而开放式的疏松结构，使转录因子等更容易接近DNA，进而促进基因的活化和转录(Lietal.,2007)。为了保证染色质中DNA与转录因子等蛋白质的动态结合，细胞内进化产生了一系列特异性的染色质重塑因子。这些因子是多亚基复合物，它们利用水解ATP产生的能量通过滑动、移除核小体等方式改变染色质结构，从而调控真核生物的基因表达(Racki & Narlikar,2008)。所有重塑因子都具有以下5个基本特性：(a)对核小体高度亲和；(b)包含识别组蛋白共价修饰的结构域；(c)包含相似的DNA依赖的ATP酶结构域，可破坏组蛋白与DNA之间的接触，亦可参与重塑染色质，是染色质重塑过程所必需的元件；(d)包含可以调控ATP酶结构域的蛋白质；(e)包含与其他染色质或转录因子相互作用的结构域或蛋白质(Clapier & Cairns,2009)。

根据催化亚基的保守结构域，染色质重塑复合物可分为SWI/SNF、ISWI、CHD和INO80 4个亚家族(Cairnsetal.,1994; Itoetal.,1997; Shenetal.,2000)。不同亚家族的催化亚基都具有一个保守的ATPase结构域(由DExx和HELICc组成)，同时又具有各自特异的结构域以保证其功能特性，如：SWI/SNF家族包含HSA(helicase-SANT)、SnAC(Snf2-ATP coupling)以及C端的Bromo结构域；ISWI家族包含HAND、SANT(SWI3、ADA2、N-CoR、TFIIIB domains)以及SLIDE(SANT-like ISWI domain)结构域；INO80家族包含一个位于N端的HSA结构域；而CHD家族核心亚基的N端包含2个串联的Chromo结构域(Clapier & Cairns,2009; Xiaetal.,2016)。各结构域独特的功能如下：HSA结构域可以与肌动蛋白相关蛋白质结合(Becker & Workman,2013)；Bromo结构域能识别组蛋白及其他蛋白质N端乙酰化的赖氨酸(Clapier & Cairns,2009)；HAND-SANT-SLIDE结构域能结合染色质和相邻核小体间的DNA(Dang & Bartholomew,2007)，且SANT结构域可以结合未修饰的组蛋白尾巴(Boyeretal.,2002,2004; Grüneetal.,2003)；而Chromo结构域能识别并结合组蛋白N端甲基化的赖氨酸(Brehmetal.,2004; Flanaganetal.,2005)。

2.2 染色质重塑复合物的组成

最早被发现和熟知的染色质重塑因子是SWI/SNF，该复合物由8～14个蛋白质亚基组成。在酵母中，染色质重塑复合物SWI/SNF存在SWI/SNF和RSC(remodels the structure of chromatin)2种形式，这2种存在形式具有明显不同的、非重叠的作用(Mohrmann & Verrijzer,2005)。果蝇含有BAP(brahma associated proteins)和PBAP(polybromo-associated BAP)2种形式的SWI/SNF复合物，它们具有相同的催化亚基BRM(brahma homologue)，不同的是，BAP复合物具有OSA亚基，而PBAP复合物具有Polybromo亚基和BAP170亚基(Clapier & Cairns,2009)。

染色质重塑因子ISWI的催化亚基最早于果蝇的胚胎提取物中发现，由于其与酵母的Swi2/Snf2具有序列同源性，因而被命名为ISWI(Corona & Tamkun,2004)。该复合物通常由2～4个蛋白质亚基组成。果蝇中染色质重塑复合物ISWI存在3种形式，即NURF(nucleosome remodeling factor)、CHRAC(chromatin accessibility complex)和ACF(ATP-utilizing chromatin assembly and remodeling factor)。NURF包含ISWI、NURF301、NURF55/p55和NURF38 4个亚基，该复合物可以引起核心组蛋白相对DNA片段发生顺势移动，且可以激活转录。CHRAC包含ISWI、ACF1、CHRAC14和CHRAC16 4个亚基，该复合物可以参与调控果蝇早期发育(Coronaetal.,2000)。而另一复合物ACF仅由ISWI和ACF1 2个亚基组成，该复合物在染色质重塑过程中同样发挥着不可替代的作用。

染色质重塑因子CHD家族包括2种存在形式：仅存在一个亚基、可单独发挥其重塑功能的CHD1和由多个亚基组成的NuRD(nucleosome remodeling and histone deacetylase)(蔡禄，2012)。果蝇NuRD复合物中包含与转录抑制相关的MBD2/3(methyl-CpG binding domain，甲基化CpG结合结构域)和MTA(metastasis-associated proteins，转移相关蛋白质)。这些CHD蛋白可通过染色质修饰和重塑进而抑制某些基因的转录(Denslow & Wade,2007)。

染色质重塑因子INO80的组成最为复杂。在酵母中该复合物包括INO80和SWR1 2种形式，其中，INO80有15个蛋白亚基，SWR1有16个蛋白亚基(Bao & Shen,2007)；而果蝇中该复合物的2种存在形式为Pho-INO80和Tip60，其中Pho-INO80有7个蛋白亚基，Tip60有18个蛋白亚基。尽管目前并不十分清楚其中大多数亚基起作用的详细机制，但是可以推测它们在调控基因表达、DNA复制和修复过程中发挥各自重要的作用(周建杰和陈学峰，2016；Ghasemietal.,2015; Van-Attikum & Gasser,2005)。

3 染色质重塑的方式

染色质重塑是调控真核生物基因表达的重要机制，目前在生物体内至少发现有2类高度保守的染色质重塑的方式。第一类是依赖于ATP水解的染色质重塑复合物，这些复合物可以通过滑动、去除、解离或重新组装核小体等方式重塑染色体进而调控基因的表达(Clapier & Cairns,2009)。第二类是组蛋白尾巴的作用，组蛋白尾巴的共价修饰(如甲基化、乙酰化、磷酸化和泛素化等)可以间接引起染色质的重塑(Tavernaetal.,2007)。

3.1 ATP依赖的染色质重塑

染色质重塑因子通过利用ATP水解产生的能量来移动或重新组装核小体，从而在整个基因组范围内调控基因的表达。其作用机制主要包括2个方面：一方面，染色质重塑因子可介导核小体沿着DNA 滑动，或将整个核小体从DNA上去除，或可引起核小体表面与DNA发生分离，形成"bulge"(也称为"Loop")，使DNA结合位点暴露，进而使DNA结合蛋白(DNA-binding protein, DBP)与其结合位点顺利结合(Gangaraju & Bartholomew,2007)。另一方面，染色质重塑因子可介导组蛋白变体与经典组蛋白间的置换，或从染色质上去除组蛋白二聚体，通过改变经典组蛋白的组成，从而使相应功能发生变化(Clapier & Cairns,2009)。

3.2 组蛋白尾巴与染色质重塑

组蛋白尾巴以不依赖ATP的方式介导组蛋白与DNA相互作用，参与核小体的去组装和重新组装过程。一方面，组蛋白尾巴影响某些染色质重塑因子的核小体重塑活性。如，重塑因子NURF需要组蛋白尾部的正确结合，组蛋白的尾部区域是NURF识别的关键部位，缺乏组蛋白尾部的核小体不能刺激NURF ATP酶的重塑活性；重塑因子ISWI识别组蛋白H4尾巴上的氨基酸R17H18R19，这对于ISWI发挥其重塑功能十分重要(Clapieretal.,2002)。另一方面，组蛋白尾巴的共价修饰影响染色质重塑因子的募集和稳定性，调控基因表达。目前研究最多的修饰为组蛋白甲基化和乙酰化。不同形式的组蛋白甲基化修饰对基因表达的调控作用不同，H3K4me3(三甲基化，me: methylation)和H3K9me3修饰可促进染色质重塑复合物的募集，从而促进基因表达，而H3K9me1、H3K20me1、H3K27me1、H3K9me2、H3K27me3和H4R3me2修饰可抑制基因的表达(Lietal.,2006; Tanetal.,2020；Zhouetal.,2010)。组蛋白乙酰化使染色质结构变得疏松从而促进基因转录，相反，组蛋白去乙酰化使染色质结构变得紧密进而抑制基因表达(Pandeyetal.,2002; Zhietal.,2020)。

4 染色质重塑在温度适应性中的研究进展

生物体抵抗高温或低温等环境胁迫的能力依赖于其自身调控胁迫应答基因表达的机制(Asensi-fabadoetal.,2017)。而染色质重塑是调控基因表达的重要手段，大量研究证据表明染色质重塑可以直接或间接影响生物体的温度耐受性。

目前，植物中有关染色质重塑与温度适应性方面的研究最为全面。Strenkertetal.(2011)研究发现，莱茵衣藻Chlamydomonasreinhardtii中热激转录因子HSF1能够介导染色质重塑成开放的染色质结构，从而促进胁迫相关基因的表达。Pecinkaetal.(2010)发现，拟南芥经过37 ℃处理30 h后，部分核小体连同上面携带的H3K9me2等抑制性表观遗传标记一起被移除，导致异染色质区域变松弛，使得原本被沉默的重复序列激活表达；而当热胁迫处理结束后，核小体被重新装载到染色体上，同时伴随着H3K9me2的重新建立，最终导致重复序列恢复沉默。其他研究表明，具有核小体重新定位活性的已知染色质重塑因子(如BRM)与FGT1(FORGETTER1)相互作用有助于拟南芥的高温传代记忆(Brzezinkaetal.,2016; Friedrichetal.,2019)；Mlynarovaetal.(2007)发现，在高温胁迫下拟南芥野生型植株中的chr12基因会发生过表达，以提高其对高温胁迫的抵抗力；Zhaetal.(2017)的研究表明，重塑因子PKL(PICKLE)突变会导致拟南芥幼苗对高温敏感性显著降低，具体表现为下胚轴生长速度慢于野生型；Gratkowska-zmudaetal.(2020)发现，突变Swi3c会导致拟南芥中参与低温反应的基因表达发生变化，进而影响其在不同温度条件下的生长反应；Buszewiczetal.(2016)发现，拟南芥中染色质重塑因子SWI/SNF可以和组蛋白去乙酰化酶相互作用从而参与热胁迫响应；此外，对拟南芥高温传代记忆机制的研究发现，高温可以激活热激转录因子HSFA2(heat shock transcription factor A2)，而HSFA2可以与组蛋白去甲基化酶REF6(relative of early flowering 6)和BRM启动子上的热激转录元件直接结合，从而激活REF6和BRM基因的表达，进而影响拟南芥对温度胁迫的响应(Liuetal.,2019)。有关水稻OryzasativaL.的研究表明，“中华11”水稻在遭受低温胁迫处理后其SWI/SNF家族基因的表达会发生较大变化(Huetal.,2013)；另一研究表明，水稻OsDDM1a(decrease in DNA methylation 1, DDM1)基因和OsDDM1b基因的表达均受低温胁迫所诱导，在其胁迫应答反应中发挥重要作用(高振蕊等，2011)。

此外，酵母体内的研究表明，SWI/SNF在热激反应过程中发挥激活或抑制基因表达的双重作用(Shivaswamy & Iyer,2008)；失活酵母中的重塑因子ISWI和SWI/SNF可以减少热激期间热激转录因子HSF(heat shock transcription factor)的有效结合，进而影响其温度耐受性(Erkinaetal.,2010)。在果蝇中，ISWI型染色质重塑因子可以与GAGA因子协同作用从而促进热激蛋白基因的转录(Badenhorstetal.,2002; Tsukiyamaetal.,1995)，而热激蛋白在生物温度耐受性中发挥着至关重要的作用。Jietal.(2020)通过RNAi技术对入侵种烟粉虱ISWI基因功能研究发现，饲喂dsRNA(double-stranded RNA)后烟粉虱成虫的温度耐受性显著降低，表明ISWI基因在烟粉虱温度适应性中起重要作用。Feineretal.(2018)比较爬行动物蜥蜴Podarcismuralis(Laurenti)在低温与适温条件下发育的胚胎基因表达谱发现，部分差异较大的基因与染色质重塑有关，这表明潜在的表观遗传机制可能是使其早期胚胎适应低温的基础。Tuetal.(2006)研究发现，哺乳动物细胞受到胁迫刺激时，其热激转录因子HSF1可以与重塑因子brg1(brahma-related gene 1)结合，从而促进hsp70基因的转录。

本文对近年来关于染色质重塑调控生物温度适应性的研究进行了总结、归纳(表1)。

表1 染色质重塑因子调控生物温度适应性

从酵母到哺乳动物细胞，染色质重塑因子的调控作用具有一定的保守性。总之，作为对环境变化的快速响应，温度胁迫下染色质重塑是经常发生的。染色质重塑参与生物体的温度胁迫应答反应，且在生物温度适应性中发挥重要作用。

5 结论与展望

温度是限制物种适应性分布的重要环境因子，对极端环境温度的耐受性决定着生物的分布和扩散范围。大量研究证实，表观遗传可以提供比遗传机制更快的响应机制，从而促使生物快速的适应极端环境温度。染色质重塑是表观遗传调控的重要组成部分之一，可以通过调控胁迫相关基因的表达来改变生物体的生理状态，从而达到使生物体适应环境的目的。然而，当前关于染色质重塑与温度适应性的研究主要集中在模式生物(如拟南芥、酵母和果蝇等)的少数蛋白亚基上，相对于庞大且复杂的染色质重塑复合物来说，目前的研究只是冰山一角，仍有很多问题需要解决：(a)需要进一步探明染色质重塑复合物各亚基在生物体温度适应性中的功能，以及各亚基间是否存在协同作用；(b)染色质重塑复合物与其所调控的下游基因的关系如何并未清楚，需要进一步深入研究；(c)如何将染色质重塑、组蛋白修饰和DNA甲基化等联合分析，从而更加立体、全面和动态地从表观遗传的角度阐述温度胁迫适应性机制，是未来温度适应性研究需要解决的重要问题。