2016, Vol. 36
染色质结构研究对于分子和细胞放射生物学具有重要的意义。许多证据表明，染色质构象可以影响辐射诱导DNA损伤的产生、分布和修复。电离辐射可以引起多种类型的DNA损伤，其中最具杀伤力的是DNA双链断裂(DSBs)，DSBs的修复对于细胞的存活至关重要。对DSBs修复在时间和空间上的控制主要依赖于影响电离辐射敏感性的特异性组蛋白编辑与修饰[1-2]。染色质修饰和重塑通过改变染色质结构不仅可影响原初DNA的损伤，而且参与DNA损伤修复因子的招募，从而影响DNA的损伤效应和细胞的辐射敏感性[3-4]。本综述重点讨论染色质修饰对 多个DNA损伤反应(DDR)的影响，以及靶向干预染色质修饰在肿瘤治疗中的应用。
一、 染色质结构的生物学特性及功能染色质作为真核细胞遗传信息的载体，其动态结构状态与真核细胞基因的功能和多个生物学过程密切相关，对基因组遗传信息表达有显著影响。
1. 染色质组蛋白修饰：染色质是由基因组DNA通过组蛋白与非组蛋白包装而成，核小体是真核细胞染色质的基本单位。染色质结构受到各种组蛋白修饰方式的调节，在哺乳动物基因组中，组蛋白则可以有很多修饰形式。一个核小体由H2A、H2B、H3和H4组成的八聚体和147 bp缠绕在外面的DNA组成。核小体组蛋白中游离在外的N-端可以受到各种各样的修饰，包括组蛋白末端的乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、 二磷酸腺苷(ADP)核糖基化等，这些修饰都会影响染色质的构象和基因的转录活性[5]。目前认为，染色质结构对电离辐射后DSBs的产生和修复影响最大[6]。
2. 染色质构象调节与DDR：染色质按其形态特征和活性状态分为两种类型，即常染色质和异染色质。常染色质折叠压缩程度低，处于伸展状态，而异染色质折叠压缩程度高，处于聚缩状态，常染色质和异染色质可以通过组蛋白的乙酰化修饰而相互转化。组蛋白乙酰转移酶(HAT)将乙酰辅酶A的乙酰基替换组蛋白赖氨酸(Lys)的NH3+，中和掉一个正电荷，这样可减弱DNA(带负电荷)与组蛋白(带正电荷)的相互作用，使染色质松解。而组蛋白去乙酰化酶(HDAC)与HAT相反，它可以去除组蛋白赖氨酸残基上的乙酰基，使带正电荷的组蛋白与带负电荷的DNA紧密结合，染色质变得致密。在细胞核内，组蛋白乙酰化与组蛋白去乙酰化过程处于动态平衡，并由组蛋白乙酰化转移酶和组蛋白去乙酰化酶共同调控[7]。研究发现，染色质的构象能够影响细胞的辐射敏感性，当去除组蛋白和一些染色质相关蛋白后，或者当染色质处于疏松状态时(常染色质)，细胞的辐射敏感性增高[8]。另外，DNA损伤部位的染色质构象还影响多个DDR信号通路，例如，电离辐射后异染色质内产生的γ-H2AX少，而常染色质内产生大量的γ-H2AX[9]。通过HDAC抑制剂来降低异染色质的含量，可以发现疏松的染色质内产生大量的γ-H2AX和持续激活的DDR信号[10-11]。由于很多种肿瘤细胞内的染色质表现为异染色质化的特点[12]，这暗示肿瘤细胞通过染色质的凝集(异染色质化)来降低DNA损伤和DDR信号进而产生辐射抵抗。这意味着通过分析肿瘤细胞染色质构象或检测DDR信号是一种预测肿瘤辐射敏感性的有效策略。
二、 染色质结构在辐射损伤修复中的作用1. 组蛋白修饰和染色质重塑在辐射损伤修复中的作用：DNA损伤修复一定发生在染色质环境中，而且染色质修饰和DNA修复密切相关。与DNA损伤效应相关的第一个组蛋白修饰事件是H2A的磷酸化。由于辐射诱导的γ-H2AX foci的形成是快速的，先于修复因子装配到修复复合体上，并且对于p53结合蛋白1(53BP1)、Nijmegen破损综合征(NBS1)、乳腺癌1号基因(BRCA1)和MDC1 foci的形成是必需的，所以磷酸化H2AX对于DNA损伤反应信号传导和修复蛋白招募到损伤位点至关重要[13]。除此之外，H2B和H4的磷酸化也发生在DNA损伤反应的一部分。大多数磷酸化发生在H2AX和H2A上，与损伤感应和打开DNA损伤位点有关，而H4的修饰与染色质凝聚相关[4]。
在哺乳动物中，组蛋白被TIP60乙酰化，NuA4染色质重塑复合物包含组蛋白乙酰转移酶(HAT)，通过与MRN复合物相互作用被招募到DSBs位点。其他乙酰转移酶MOF和乙酰化组蛋白H4K16对MDC1、53BP1和BRCA1等修复因子招募到DNA损伤位点是必需的[14]。
组蛋白甲基化对于基因组适当的编程至关重要，但组蛋白去甲基化酶，如LSD1/AOF2、JMJD1、JMJD2以及JHDM1表明甲基化是可逆的，同时也为其在DNA损伤修复中的作用提供了论据。在哺乳动物细胞中，H3K79甲基化和H4K20二甲基化，可被53BP1识别并使DSBs位点染色质松散[15]。
组蛋白泛素化在DSBs修复中起重要作用。电离辐射后，细胞核内组蛋白泛素化主要通过RNF8和RNF168的作用，催化组蛋白H2A和H2AX第63位点赖氨酸连接的多聚泛素化链的形成[16]。RNF8通过MDC1功能结构域FHA的作用被快速招募到DNA损伤位点，而且RNF8对于招募修复因子是必不可少的[17]。研究表明，H3和H4泛素化促进修复因子招募到DSB位点，在哺乳动物细胞中H2B-K120单泛素化对于同源重组和非同源末端连接中招募修复因子是必需的，并且可能使染色质结构松散以促进修复[18]。
因此，肿瘤细胞受到辐射损伤后，通过一系列的组蛋白修饰，一方面通过DDR信号通路招募不同的修复因子到DNA损伤位点以促进修复，另一方面可能使染色质结构变得疏松，使修复因子更易招募到DSBs位点，从而进一步促进辐射损伤的修复作用。
2. 异染色质在DNA双链断裂修复的作用：除了DDR信号，染色质还影响DNA修复机制。邻近的或异染色质内发生的DSBs都不能有效地修复，并且为了促进这些损伤的修复，补充机制是必要的[19]。这些补充机制涉及转录阻遏物KRAB相关蛋白1(KAP1；又称TIF1β和TRIM28)对异染色质的亲和力降低，并伴随共济失调毛细血管扩张性突变蛋白(ATM)的磷酸化，增加了核小体的灵活性，允许DNA修复机制接近损伤位点从而进行修复。近年来，这个过程的分子机制被提出[20]：通过泛素载体蛋白9(UBC9)，KAP1的Lys554，Lys779和Lys804 位点进行类泛素化修饰，KAP1结合核小体重塑蛋白染色质解旋酶DNA结合蛋白3(CHD3)，这参与了异染色质的形成[21]。虽然KAP1 类泛素化修饰水平不受电离辐射的影响，但ATM依赖KAP1磷酸化-通过干扰CHD3-KAP1相互作用-触发异染色质解聚，并促进DNA修复。
受到电离辐射时，异染色质保护DNA，阻止DSBs的形成；并且DSBs修复在异染色质和常染色质区域可能存在差异。Takata等[22]研究发现，紧密染色质保护基因组DNA免受辐射损伤，电离辐射后，紧密染色质中DSBs产生的频率比松散的染色质低5～50倍，表明DNA损伤保护机制由高阶染色质结构所介导。人类胚胎干细胞(hESC)与分化细胞相比，有更松散的染色质结构。Venkatesh等[23]研究表明，在人类胚胎干细胞中，DNA修复焦点几乎只定位在异染色质区域之外。而且电离辐射导致异染色质标记蛋白H3K9me3在肿瘤HT1080细胞中表达增加，在IMR90正常成纤维细胞中较小程度的增加，而在人类胚胎干细胞中没有变化。这一结果表明染色质构象对于DNA保护和DNA损伤修复的重要性。
三、 组蛋白修饰和特征性染色质结构对肿瘤细胞辐射敏感性影响的机制放射疗法通过电离辐射诱导DNA双链断裂来杀伤肿瘤细胞，然而肿瘤细胞的DNA修复所造成的辐射抵抗会导致放疗失败，靶向抑制DNA修复可以增加肿瘤细胞的辐射敏感性，从而改善肿瘤的放疗效果。
1. 组蛋白修饰对肿瘤细胞辐射敏感性影响的机制：H3K4me3在DSBs位点表达减少，而H3K4me3去甲基化酶LSD1被招募到DSBs位点，这一过程通过赖氨酸特异性去甲基化酶1(LSD1)和RNF168之间相互作用而被促进。shRNA敲除LSD1导致H2A/H2AX泛素化减少以及53BP1和BRCA1招募的减少，而且LSD1敲除也使细胞对电离辐射轻微敏感[24]。H3K9me2/3去甲基化酶KDM4B也可被招募到DSBs位点，KDM4B过表达导致γ-H2AX的减少并增加受辐射细胞的存活率。 Ayrapetov等[25]研究表明，当细胞缺乏1种组蛋白赖氨酸甲基转移酶(suv39h1)时，其Tip60和ATM活性缺失，DSBs修复减少，细胞辐射敏感性增加。
组蛋白去乙酰化酶抑制剂HDACIs是抑制HDAC 活性并造成组蛋白过度乙酰化的一类化合物，HDACIs在细胞水平上对肺癌、脑胶质瘤、食管癌、前列腺癌、结肠癌和乳腺癌等肿瘤细胞均具有放射增敏作用[26]。HDACIs对染色质结构的作用是增加组蛋白乙酰化的水平，导致1种更加松散的染色质结构产生[27]。除此之外，HDACIs可通过下调DNA修复蛋白的表达，如Ku70、Ku86、Rad51和DNA-PKc，降低DNA修复效率[28]。Koprinarova等[29]研究显示，丁酸盐可通过抑制两种主要的DSBs修复通路来增强细胞的辐射敏感性。
BRG1染色质重塑酶通过刺激γ-H2AX形成促进DSBs修复。研究表明，辐射后BRG1-BRD的异位表达抑制了γ-H2AX和DSBs修复并在不同人类肿瘤细胞包括HT29结肠癌细胞中增加了其辐射敏感性。尽管完全不影响上游的ATM激活，BRG1-BRD在辐照的HT29细胞中抑制了损伤染色质的53BP1的招募、γ-H2AX的下游事件和G2/M期检验点并增加细胞凋亡。因此，这一研究把BRG1-BRD看成1种新型的放射增敏剂，而且它的作用机制为把染色质重塑因子作为改善肿瘤放射治疗的目标提供了一个实例[30]。
2. 异染色质结构对肿瘤细胞辐射敏感性影响的机制：研究已经证实，当染色质高度紧密时，处于G2/M期的细胞对电离辐射更加敏感。然而，高度紧密的染色质比松散的染色质更不受DSBs的影响。因此，细胞修复损伤DNA并重新折叠染色质使其恢复到起始紧密状态的能力是影响细胞电离辐射敏感性的主要因素[26]。Chen等[31]通过对电离辐射诱导后的结直肠癌肿瘤干细胞和非肿瘤干细胞染色质结构进行研究，发现异染色质结构在结直肠癌肿瘤干细胞辐射抵抗中起到一定作用。Sato等[32]通过X射线重复照射建立X射线辐射抵抗的肿瘤细胞系，评估其对碳离子的辐射敏感性，发现对X射线辐射抵抗的细胞对碳离子照射同样具有辐射抵抗作用，且这种辐射抗性与异染色质结构域数目相关，异染色质结构域数目的增加可能会成为X射线和碳离子辐射抵抗的一种指示器。
通过染色质结构、组蛋白修饰对肿瘤细胞辐射敏感性影响的机制研究结果提示，可以利用药物靶向调节组蛋白修饰使染色质结构松解，增强肿瘤细胞对电离辐射的敏感性，提高放疗的治疗效果。
四、 结语与展望综上所述，多种组蛋白转录后修饰、染色质重塑以及特异性染色质结构可以影响DNA损伤应答、信号传导和修复，从而影响肿瘤细胞的辐射敏感性。由此可以推测，染色质结构靶向松散剂与电离辐射联合作用在肿瘤治疗上可能是有利的。肿瘤细胞和正常细胞染色质重塑因子表达的差异，可能也会在增加肿瘤细胞辐射敏感性的同时，不影响正常细胞的辐射敏感性，从而有助于靶向染色质结构的治疗策略。众多研究指出，HDACIs可通过影响DNA损伤反应通路以及DNA 损伤修复因子表达等方式，造成DNA 损伤修复机制障碍，但它们之间的密切相关性还需要更确凿的直接实验依据。需指出的是，目前一些HDACIs 已进入临床试验阶段，迫切需要阐明在临床安全剂量条件下这类化合物的抗肿瘤作用、其作用的特异性靶器官和靶基因等，这将不但有助于阐述HDACIs 致肿瘤细胞放射增敏的作用机制，而且还能更好地指导这类新型抗肿瘤药物在临床上的应用，为肿瘤患者个体化治疗制定出有效的方案和对策[26]。
利益冲突 本人与本人家属、其他研究者，未因进行该研究而接受任何不正当的职务或财务利益，在此对研究的独立性和科学性予以保证作者贡献声明 王萍进行文献调研，整理文献并起草综述；袁德晓协助对文章进行修改；邵春林进行文章修改与审校
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