综述：染色质高级折叠受接头DNA偏好值的影响

本文精辟论述了接头DNA长度对染色质高级结构的调控机制，重点解析了10n与10n+5 bp间距差异如何通过影响核小体取向、纤维拓扑（chromatin fiber topology）及高阶折叠来调控基因功能，为理解表观遗传（epigenetics）调控提供了重要理论框架。

　　

引言

在真核生物中，DNA以约1.7圈的方式缠绕组蛋白（H2A、H2B、H3和H4各两个拷贝）形成核小体。连接核小体的DNA被称为接头DNA（linker DNA），已被确定为染色质高级组织的关键参与者。20世纪70年代末，涉及DNase、核酸外切酶或微球菌核酸酶（MNase）等消化游离DNA的酶的生化实验激增，使得通过凝胶电泳量化DNA长度成为可能。这些研究首次提出，核小体相对于其相邻核小体在染色质链中的特定位置发生，而不是随机出现。

各种真核细胞的初始染色质消化表明，核小体倾向于以10 bp（base pairs）的倍数间隔。这样的数值，类似于DNA螺旋重复（DNA helical repeat），表明接头DNA长度采用偏好值。随后的更详细分析表明，在酵母和鸡红细胞中，核小体之间的接头DNA遵循偏好的10n + 5 bp模式，其中n为整数，而其他生物体，如大鼠和果蝇，具有接近10n的偏好模式。

接头DNA长度等于DNA螺旋重复（10.2–10.5 bp）与等于一个半DNA螺旋重复对染色质结构的影响也进行了讨论。这些研究表明，长度为10n + 5 bp的接头不会允许交替核小体以它们的平坦面平行堆叠；它们将是共面的并以并排方式包装。相反，长度为10n（n为整数）的接头可以以平行方式排列交替核小体，使它们堆叠在彼此之上。这是因为等于DNA螺旋重复n倍数的接头长度将链中的核小体i + 1定位在与前一个核小体i相同的旋转位置，而不完整的DNA螺旋重复的接头长度则产生核小体i + 1相对于核小体i的不同旋转位置。

对先前许多真核细胞研究获得的DNA消化数据的分析肯定了接头DNA采用 mostly multiples of ～10 bp 的偏好值的概念。该工作进一步提出，这样的接头DNA值通过由相邻核小体之间的相互作用决定的特定几何形状来定义染色质高级结构。

21世纪见证了微阵列的发展和使用的繁荣，使得确定最简单的真核系统——芽殖酵母（Saccharomyces cerevisiae）的完整核小体景观成为可能。现在存在超过30个物种和多种细胞类型的全基因组核小体图谱。

早期的建模工作已经揭示了DNA接头长度的重要性。短接头产生梯状结构，而长接头产生异质纤维，与连接组蛋白（linker histones, LH）的相互作用也引入不对称性。后来，研究表明只有不规则的接头长度产生纤维内长程相互作用，这些是Hi-C模式的典型特征。这些复杂的折叠源于基因系统真实纤维中的发夹折叠和分层环化。

如表1总结，最近利用更高精度的DNA切割、测序和数据分析的工作表明，在酵母和小鼠胚胎干细胞中偏好10n + 5接头DNA值。然而，也注意到了不同的模式：线虫、酵母和果蝇为10.6n + 8；果蝇异染色质和常染色质分别为10n和10n + 5；人k562细胞为10n + 8；人成纤维细胞为10n；人粒细胞和T细胞为10n + 6。

此外，核小体DNA的动态特性，如呼吸（breathing）和解缠（unwrapping），以及核小体滑动（sliding）和驱逐（eviction），影响核小体定位和占据，从而影响接头DNA长度。实际上，核小体作图实验显示了一系列核小体片段大小，表明了解缠事件。考虑这些动态特性的实验和建模工作提供了关于这些因素如何影响全基因组接头DNA长度的见解。一个有趣的近期例子涉及视网膜细胞，其中解缠和其他因素导致未成熟视网膜细胞中的接头非常短，与成熟细胞相比。这些差异显著影响染色质结构。

许多实验和建模小组试图理解规则接头DNA模式对染色质高级折叠及其与基因调控关系的含义。下面，我们回顾关注10n与10n + 5接头的选定工作，并就这个引人入胜的问题提供我们的视角（图2）。参见表2的建模工作摘要。我们对任何无意的其他相关工作的遗漏表示歉意。

近期关于10n与10n + 5接头作用的实验

Griegoryev小组长期以来一直对理解接头DNA长度对染色质结构的影响感兴趣。他们的第一项研究比较了12核小体染色质阵列中10n与10n + 5接头，接头DNA长度分别为18、20、22、25、30、41、53、58、60和62 bp。对于短于30 bp的DNA接头，沉降结果显示接头长度值对染色质全局折叠和压缩有强烈影响：10n接头产生高度折叠和压缩的结构。

近期关于10n与10n + 5接头效应的建模

许多建模小组模拟了具有不同接头DNA长度的染色质纤维，以研究它们在压缩、核小体相互作用、纤维拓扑和折叠以及相分离中的作用。

虽然这些研究采用核小体分辨率模型，但细节各不相同。差异在于物理模型（即DNA处理和核小体模型）；沿着染色质纤维初始结构的核小体排列（即0/1/2/3起始拓扑）；以及用于生成构象的采样技术。

视角

将接头DNA长度方面的生物真实性纳入染色质纤维建模对于桥接物理见解与体内相关性变得越来越重要。基因调控如何关键地依赖于接头长度模式和其他表观遗传因素（如乙酰化和LH密度）的显著例子包括最近关于细胞发育和细胞分化过程中染色质结构调控的研究。如图3所示，接头DNA长度模式可以显著改变染色质纤维的拓扑和动力学，从而影响其功能输出。

未来的研究需要整合多尺度方法，结合更真实的核小体间距异质性、动态核小体特性、组蛋白修饰和核内环境，以全面揭示接头DNA在塑造基因组组织和功能中的复杂作用。