Brg1在细胞重编程中作用的研究进展

屈 悦 综述 邓辰亮 郑江红 审校

Brg1在细胞重编程中作用的研究进展

屈 悦 综述 邓辰亮 郑江红 审校

Brg1是染色质重塑复合物的重要组成成分，参与染色质重塑过程，同时可以大大提高细胞重编程的效率。本文就Brg1介导的染色质重塑复合物在细胞增殖和分化过程中的作用进行综述。

诱导性多潜能干细胞 Brg1 染色质重塑 重编程

然而，重编程为iPS细胞的效率非常低（＜1%）[4]，成为当前研究关注的热点。已有一些研究显示，Brg1参与染色质重塑过程，可将细胞重编程的效率提高至4.5%[5]。鉴于Brg1在细胞增殖和分化中发挥的重要作用和现实应用意义，本文就Brg1介导的染色质重塑复合物在细胞增殖和分化过程中作用的研究进展进行综述。

1 Brg1蛋白结构与功能

Brg1类似物SWI2首次在酿酒的酵母中被发现[6]，后来在线虫、果蝇及小鼠等多种生物中也发现该基因[7]。人类Brgl基因定位于染色体19p上，Brgl基因组共由35个外显子和34个内含子构成，基因编码的蛋白质相对分子量为 205 KD。Brgl蛋白由多个在进化上保守的功能结构域组成，主要包括ATP水解酶活性区域，C端溴基区域和AT-hook基序，以及N端的QLQ、HSA和BRK结构域[6，8-9]。Brg1的C端溴基区域参与乙酰化赖氨酸和组蛋白H3、H4尾部的识别过程，其邻近的AT-hook基序则辅助DNA绑定或辅助SWI／SNF复合物募集至组蛋白尾部的去乙酰化的赖氨酸上[10]。谷氨酰胺（QLQ）基序参与蛋白与蛋白的相互作用或促进蛋白质重构，HSA和BRK结构域可能具有解螺旋酶功能，并且参与了与DNA以及其他转录因子的结合过程，但具体功能尚不详[11－12]。总之，Brg1蛋白的结构域在识别被修饰的组蛋白、招募染色质重塑活动至目的基因等过程中发挥重要作用。

人类SWI/SNF复合物主要成分有核心酶Brg1（hBrm）、BAF170、BAF155、BAF47/INI1、BAF60、BAF57、BAF53和肌动蛋白。单独使用Brg1能够对核小体进行有效的改构，但当加入核心SWI/SNF亚基成分（BAF170、BAF155、BAF47）时，可使染色质重塑效果更佳。

Brg1和Brm约有74%的序列同源，且在体外表现出相似的生化活性[13]。尽管如此，Brg1和Brm在许多细胞的增殖和分化等生命活动中却发挥着不同的功能。研究显示，Brg1比Brm更早表达，在维持胚胎干细胞多能性方面，起着优势性的作用[13－14]，并且Brg1被破坏时会引起胚胎在胚泡阶段死亡。相比之下，破坏重塑复合物的另一亚基Brm，却不会引起胚胎的死亡[15]。

2 与Brg1相互作用的蛋白质

Brg1能与多种蛋白质结合并相互作用，参与DNA复制和修复、转录调节、基因表达调节、基因重组等过程，但具体的机制仍无法确定。根据转录的结果，可将这些蛋白质分为3类：转录辅激活物，转录辅阻遏物和肿瘤抑制因子。具体包括SWI／SNF复合物亚基成分、核受体类蛋白、转录相关蛋白、染色质修饰酶复合物、肿瘤抑制因子以及维持基因稳定的核心蛋白等[12]。迄今为止，研究最为透彻的是Brg1作为核心酶的SWI／SNF复合物。

3 Brg1介导的染色质重塑的募集作用和对转录的影响

已经证实，人体的不同组织细胞中，Brg1与以上蛋白质形成复合物引发染色质重塑，改变核小体的构象和位置，增加DNA对转录因子的可接近性，有利于募集染色质重塑复合物到特异启动子上，进而激活或抑制基因的转录和表达。

3.1 Brg1介导的染色质重塑的募集作用

Brg1上存在许多不同的基序，通过SWI／SNF复合物与转录因子、共调解因子或转录相关蛋白结合并相互作用，这些基序可将SWI／SNF复合物募集到特异基因的启动子上。这种相互作用影响重塑复合物的活性，增强了其与特异基因序列的结合，以利于有效的结合和染色质重塑[16]。大量研究证明，募集SWI／SNF复合物并使其稳定结合于基因特异的启动子上，是多种因子共同作用的结果，并且需要一种或多种重塑复合物亚基的调节。研究证据表明，这种重塑复合物与DNA的结合是非特异性的，但可以与转录因子的基因特异活化结构域协作，以提高重塑效率[16]。

选取2015年9月—2017年9月到我院接受治疗的168例偏瘫性肩关节周围炎患者作为研究对象，将其分为常规针灸治疗组和平衡针灸治疗组，每组各84例患者。常规针灸治疗组中，男50例、女34例，患者年龄为42～75岁，平均年龄为（66.53±9.87）岁。其中，左肩患病患者40例，右肩患病患者44例；平衡针灸治疗组中，男49例、女35例，患者年龄为40～73岁，平均年龄为（67.21±8.98）岁。其中，左肩患病患者39例，右肩患病患者45例。两组患者的性别、年龄、患病部位一般资料对比，差异无统计学意义（P＞0.05），具有可比性。

3.2 Brg1介导的转录激活

Brg1能与多种蛋白质形成复合物来激活转录过程。核受体属于配体依赖的转录因子。大量研究显示，Brg1介导的染色质重塑通过与大量核受体相互作用而影响着配体依赖的转录激活。分子报告模型分析显示，Brg1是核受体参与的转录激活的关键成分，如雌激素受体介导的基因转录激活时离不开Brg1的作用，当缺少Brg1时，雌激素依赖的启动子转录激活能力会明显降低；当加入Brg1后，转录活动恢复[12]。在细胞模型中，大量GR敏感的启动子在转录过程中都对Brg1有依赖性[17]。小鼠受精卵基因活化和转录需要Brg1，敲除Brg1的卵母细胞形成的受精卵转录水平下降。ES细胞的转录启动子处聚集大量的Brg1，是ES细胞转录激活所必需的因子[18]。

3.3 Brgl介导的转录抑制和基因沉默

Brg1也可以与多种蛋白质相互作用抑制基因转录，导致基因沉默，这对于细胞的循环调控非常重要。研究显示，通过与大量的转录辅阻遏物相互作用，Brg1在基因的沉默中起重要作用，如Brg1可以与RB蛋白一起参与细胞循环的阻滞，基因转录的抑制和基因沉默过程[19]。此外，Brg1也可以和组蛋白修饰酶结合，共同参与基因的转录抑制。研究发现，Brg1是mSin3A/HDAC抑制复合物的关键组分，通过与转录调节的辅阻遏物和组蛋白修饰酶结合对染色质起作用，导致基因沉默[20]。另有研究证实，SWI／SNF复合物核心酶Brg1通过与mSin3A/HDAC抑制复合物结合抑制转录因子P4.2的表达，进而抑制红系祖母细胞的分化[21]。在骨髓间质干细胞中，敲除Brg1会导致沉默细胞的增加，Brg1下调也会引起异染色质的增加而使转录水平下降[22]。

4 Brg1的生物学作用

大量研究证明，在人体和动物不同的组织细胞中，Brg1介导的染色质重塑复合物通过调节基因的转录和表达，在干细胞的增殖和分化中发挥重要的作用。Kidder等[23]用全基因的DNA微阵列和免疫共沉淀分析，发现小鼠ES细胞内Brg1与多潜能性相关的基因Nanog、Oct4和Sox2相互作用，共同定位于基因启动子位置。在小鼠早期的胚泡和ES细胞中，用RNA干扰的方法敲除BRG1，会造成胚泡的Oct4和Nanog的异常表达、ES细胞多潜能性相关基因的表达下调及种系特异性基因的表达上调而使其丢失多潜能性。Saladi等[18]发现，缺少Brg1的受精卵无法发育成胚胎干细胞，当破坏SWI/SNF复合物的亚基Brg1时，小鼠胚胎发育至胚泡阶段就会死亡，除此还发现缺乏Brg1的ES细胞分化为内外胚层的过程会受损。上述结果证实了小鼠早期胚胎发育离不开Brg1，而ES细胞的自我更新、多能性的维持及分化为不同的细胞系都需要Brg1发挥作用。

Brg1介导的染色质重塑在神经干细胞的维持、增殖、分化以及神经元发育成熟等方面发挥重要的作用。在神经发育的不同阶段，该复合物有着专职功能。最近研究显示在神经系统发育过程中，SWI/SNF复合物起着剂量依赖性的关键作用。SWI/SNF复合物内部亚基的交换对神经细胞的分化过程（如全能性到多能性胚胎干细胞，并最终分化为有丝分裂后的细胞）是至关重要的[24]。Brg1参与小鼠晶状体细胞染色体退化的过程，也控制着神经干细胞的维持，以及多细胞系和器官的终末分化，如T细胞、神经胶质细胞和四肢[25]。

神经胶质细胞的生成过程同样需要Brg1，它以促进神经胶质细胞分化的方式，抑制神经干细胞的分化，调节着神经细胞和胶质细胞生成的转换过程[26]。

Brg1的异常表达会阻碍SWI/SNF复合物的正常活性，并延迟或阻碍骨髓细胞分化。在依赖IL-3的小鼠骨髓祖代细胞中，dnBrg1高表达可导致G-CSF诱导的粒细胞延迟成熟，骨髓细胞发育阻滞在早幼粒细胞/晚幼粒细胞阶段[26]，提示Brg1的正常染色质重塑功能是依赖G-CSF骨髓细胞分化为粒细胞所必需的，造血细胞关键阶段依赖于Brg1介导的染色质重塑过程。另外，Brg1介导的 SWI/SNF复合物可与mSin3A/HDAC抑制复合物结合抑制红系祖母细胞的分化[21]。

在体外培养MSCs时，高表达Brg1会导致细胞周期被阻滞，并伴随细胞大量衰老和凋亡。同时还发现，Brg1本身虽不会导致细胞分化，但可以加快细胞分化过程，这说明Brg1介导的重塑复合物参与小鼠间质干细胞的循环阻滞，促进细胞分化，衰老和凋亡[27]。

Brg1作为一种染色质重塑蛋白，在心肌的生长、分化以及基因表达过程中起着关键性作用。Brg1可以促进心肌细胞的增生，维持胚胎期的心脏分化。成年期Brg1基因表达关闭，但在心脏发生应激时又可重新被激活，阻断Brg1的再表达，能减轻心肌肥厚。临床上某些肥厚性心肌病患者Brg1基因激活后，表达水平与病情的严重性呈正相关。研究还提示，Brg1可维持心肌细胞的胚胎期状态[28]。

研究发现，Brg1是体细胞转化为多能干细胞的重要因子，可促进细胞的重编程过程。Hansis等[29]发现，用非洲爪蟾的提取物可以使完整的人类293T肾细胞和原始白细胞被重编程为未分化状态的细胞，分子筛选鉴定出该提取物中含有染色质重塑复合物的核心酶Brg1。当用这种提取物诱导细胞核重编程时，发现提取物中充足的细胞核因子（如Brg1）保留在去核的受体细胞中是成功的前提[30]。

在细胞核的重编程过程中，Brg1作为染色质重塑复合物的成分，在诱导染色质重塑中发挥决定性的作用。但目前重编程的效率非常低。可能的原因是，除了Oct4、SOX2、c-Myc和Klf4四个因子外，仍需要通过逆转录导入其他因子，如染色质重塑因子ISWI和 Brg1来参与细胞核的重编程[4]。

Singhal等[5]利用分子机理，成功地加快了实验小鼠细胞的重编程，表明在细胞重编程过程中，染色体重塑复合物起着关键作用，其中特定的蛋白质Brg1、Baf155和Ini1可以显著提高体细胞转化为多能干细胞的效率，其4.5%的产出率明显高于以往的报道。

5 展望

iPS不仅为科学研究和临床应用提供了新的细胞来源，也避免了长期困扰胚胎干细胞研究的伦理问题。但当前iPS的诱导效率非常低，且诱导过程需要的时间较长，Brg1作为体细胞转化为多能干细胞的重要因子，显示出一定的促进细胞重编程的作用，为提高iPS细胞转化效率提供了可能。但是，其作用机制尚不明确，还需更为深入的研究。

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Research Progress of Brg1 in Cell Reprogramming

QU Yue,DENG Chenliang,ZHENG Jianghong.

Department of Plastic Surgery,Shanghai Sixth People′s Hospital,Shanghai Jiaotong University School of Medicine,Shanghai 200233,China. Corresponding author:ZHENG Jianghong(E-mail:515046216@qq.com).

【Summary】Brg1,the component of the chromatin remodeling complex,plays a role in chromatin remodeling and highly increases the reprogramming efficiency.Here the role of Brg1-dependent chromatin remodeling complex in regulating the proliferation and differentiation of cells was reviewed.

Induced pluripotent stem cells;Brg1;Chromatin remodeling; Reprogramming

Q813.1+1

B

1673－0364（2011）06－0344－03

2011年9月5日；

2011年10月12日）

10.3969/j.issn.1673-0364.2011.06.014

国家自然科学基金（30571929），上海市卫生局资助课题（2006055）。

200233 上海市 上海交通大学医学院附属第六人民医院整形外科。

郑江红（E－mail：515046216@qq.com）。