DNA 複製過程中，組蛋白如何複製？核小體如何重組？組蛋白修飾如何遺傳？
在細胞周期S期，複製後的DNA必須利用舊的組蛋白 (parental histones) 和新生的組蛋白（newly synthesized histones）組裝成核小體，這個過程是與DNA複製緊密耦聯的，因此命名為DNA複製耦聯的核小體組裝（DNA replication-coupled nucleosome assembly）。這個DNA複製耦聯的過程受到多種組蛋白伴侶和組蛋白修飾酶的調控。近些年，通過對經典的組蛋白伴侶CAF-1的研究以及一些新分子的鑒定，使得我們對於新合成的 (H3-H4)2 四聚體進行核小體組裝的機制有了新的認識。此外，染色質複製的體外重組技術 (in vitro reconstitution of chromatin replication) 也進一步闡明了舊的H3-H4的核小體組裝的機制。最後，近期的研究表明，在多細胞生物中複製耦聯的核小體組裝對於細胞命運決定和維持非常重要。
前言：核小體作為表觀遺傳信息的載體
在真核細胞中，染色質結構控制一系列的細胞過程，包括DNA複製和基因轉錄。147bp的DNA纏繞在組蛋白八聚體 (包含一個H3-H4四聚體和兩個H2A-H2B二聚體) 上構成染色質的基本單元核小體。組蛋白可進行翻譯後修飾，這些修飾可以標記不同的染色質結構域（chromatin domains）並影響DNA代謝相關的過程 (processes related to DNA metabolism)。近期，在線蟲和酵母中的一些研究表明，一些組蛋白標籤 (包括H3K27me3和H3K9me3) 都是可以遺傳的。此外，在人類細胞中，組蛋白修飾酶和組蛋白本身的突變可引起染色質狀態的改變，進而誘發腫瘤。因此理解在有絲分裂過程中染色質狀態遺傳的機制具有重大意義。
DNA複製耦聯的核小體組裝將核小體形成和正在進行中的DNA複製聯繫起來，而它可能是表觀遺傳信息傳遞的第一步。近期的研究鑒定了參與DNA複製耦聯的核小體組裝的新因子，進一步闡明了DNA複製耦聯的核小體組裝的機制。此外，參與該過程的因子的突變，會影響細胞命運決定的維持。在這篇綜述中，作者討論了DNA複製耦聯的核小體組裝機制的最新進展，及其在細胞身份決定和分化過程中的作用。
1. DNA複製耦聯的核小體組裝概述
DNA複製以後，在新生DNA鏈上立即發生核小體重組。DNA複製和核小體重組是緊密相連的：複製叉的速度依賴於新生組蛋白的供給情況以及核小體組裝的效率。核小體的重組看起來很簡單，但是實際上為組蛋白修飾傳遞給子細胞製造了很多挑戰，因此需要精密的調控。
首先，雙鏈DNA的複製需要新生組蛋白的額外供給，這些新生的組蛋白所攜帶的修飾與成熟染色質的不同結構域中的修飾差異很大。因此，舊的組蛋白修飾需要被複制到新生的組蛋白上。
第二，組蛋白修飾是通過「書寫子（writer）」寫上去的，通過「擦除子（eraser）」擦除的。Eraser的出現會讓組蛋白修飾穩定遺傳給子細胞的過程變得錯綜複雜，比如在粟酒裂殖酵母中，在缺少H3K9me3 eraser的情況下，H3K9me3的遺傳不依賴於DNA序列；但是在有H3K9me3 eraser的情況下，就需要特定的DNA序列來招募足夠的H3K9me3 writer。
最後，在人類和其他物種中，在正在複製的DNA上舊的和新生的 (H3-H4)2 四聚體可以形成不同的核小體，而且是被隨機地分配到前導鏈和後隨鏈上。舊的和新生的 (H3-H4)2 四聚體這種隨機分配的特性使得區分包含舊的H3-H4的核小體和包含新的H3-H4的核小體變得非常必要，因為只有這樣才能保證將舊的核小體中的標籤複製到新的核小體上，但是這又進一步增加了親代組蛋白修飾傳遞給子細胞的複雜性。下面，我們將分兩個小節，詳細討論舊的和新生H3-H4的核小體組裝過程中的最新進展（雖然有一些因子同時參與這兩個過程）。
2. 新生核小體組裝的調控
Regulation of De Novo Nucleosome Assembly
2.1 New Insights into Old Players
在細胞周期S期，新合成的組蛋白H3-H4必須從細胞漿中轉移到細胞核中以重組核小體。一些組蛋白伴侶有助於組蛋白的摺疊，阻止其與DNA過早的聚集。在這篇綜述中，我們將主要討論組蛋白伴侶Asf1 (anti-silencing function 1) 與H3-H4二聚體結合後的下游事件。
Asf1是一種高度保守的組蛋白伴侶，通過H3的表面結合H3-H4，而H3的表面對於H3-H4四聚體的形成非常關鍵，因此Asf1與H3-H4二聚體形成複合物之後，可以阻斷H3-H4四聚體的形成。在芽殖酵母中，Asf1對於H3K56ac非常關鍵，H3K56ac主要出現在新生的組蛋白H3上。因此，推測Asf1-H3-H4的複合物可作為H3K56組蛋白乙醯基轉移酶Rtt109的底物。H3K56ac促進H3-H4二聚體與E3泛素連接酶Rtt101/Mms1的相互作用；Rtt101/Mms1可以泛素化H3的C-端尾巴，包括H3K122。這造成了Asf1-H3-H4複合物的不穩定，有助於將組蛋白二聚體轉交給下游的組蛋白伴侶CAF-1和Rtt106（圖2）。此外，在芽殖酵母中，H3K56ac也可以增強CAF-1和Rtt106的親和性，因此促進了核小體的組裝和基因組的穩定性。在人類中，只有一小部分新合成的H3包含這種修飾，而且並不像酵母細胞中H3K56ac扮演同樣關鍵的角色，雖然在人類細胞中，Cul/DDB1催化的H3K122的泛素化也可以負向調控Asf1-H3的相互作用，以將H3-H4從Asf1交接至下游的伴侶，包括CAF-1。然而，H3K56ac和H3K122ub如何影響組蛋白和其伴侶的結合還需要進一步證實。
在酵母中，保守的組蛋白伴侶CAF-1 (chromatin assembly factor 1) 包含Cac1、Cac2和Cac3亞基；在人類中，CAF-1的亞基為p150、p60和p48。CAF-1通過與「滑動的夾子（sliding-clamp）」PCNA相互作用，而被招募到複製叉。CAF-1結合DNA的能力對它在複製叉上的穩定性以及H3-H4四聚體的組裝有什麼作用，近期的研究提供了一些線索。在體外實驗中，Cac1亞基負責與H3-H4四聚體結合，作為複合物的支架。在酵母和人類細胞中，CAF-1最大的亞基包含一個有翼的螺旋域（winged helix domain，WHD），WHD對於芽殖酵母CAF-1以一種非序列依賴性的方式結合到DNA是必須的。WHD中的突變與Cac1的PCNA-結合基序中的突變一起導致，在S期CAF-1與複製叉的接觸更少。因此，CAF-1結合到PCNA的能力以及結合到DNA的能力對於將CAF-1穩定到複製叉以進行核小體組裝是十分關鍵的。
通過一系列的體外實驗，一些研究組已經揭示了在這個過程中CAF-1的DNA結合能力的功能。一個CAF-1異三聚體（CAF-1與H3-H4二聚體）結合到一個H3-H4二聚體，這引起了一個構象變化，並將Cac1的WHD結構域打開，進而觸發CAF-1的DNA結合活性。進一步與DNA結合，促進了包含CAF-1和兩個H3-H4二聚體的複合物的形成。因此，CAF-1二聚體化有助於H3-H4四聚體的形成，進而有助於核小體的形成，這與此前發現的人類CAF-1複合物對於核小體組裝非常重要的現象是一致的。有趣的是，一旦組蛋白髮生了影響四聚體形成的突變，它將不能從CAF-1釋放，WHD結構域也與H3的N端尾巴相互作用。這些結果說明，CAF-1介導的H3-H4四聚體的放置需要DNA結合活性的參與，以及CAF-1自身的二聚體化，以及H3-H4的四聚體化。這種協作提供了一種機制，保障了親代的H3-H4和新合成的H3-H4四聚體形成不同的核小體。此前研究表明，在芽殖酵母中組蛋白伴侶Rtt106也包含DNA結合基序，這個基序的突變會影響Rtt106的功能。此外，Rtt106也可以形成二聚體。因此，研究Rtt106是否採用相似的協同機制進行核小體組裝和放置是十分有意思的課題。此外，未來的補充性研究和結構生物學研究，對於包含CAF-1、組蛋白以及DNA的複合物，可能提供更多的關於CAF-1介導的核小體組裝以及隨後從H3-H4中釋放組蛋白伴侶以組裝成四聚體（tetrasomes）的過程的見解。
2.2 New Players in the Old Puzzle
過去幾年中湧現了有一些重要的發現，這些發現強調了從頭核小體組裝（de novo nucleosome assembly）過程中的新因子的功能。比如，在芽殖酵母中，FACT（facilitates chromatin transactions）蛋白參與新生H3-H4的核小體組裝。組蛋白伴侶複合物FACT包含Spt16和SSRP1（在酵母中為Pob3），能與四種經典的組蛋白結合。FACT通過與H2A-H2B相互作用而部分參與核小體重組，尤其是在轉錄和DNA複製中發揮重要作用。利用spt16-m突變的等位基因，一個DNA複製存在缺陷而其轉錄沒有缺陷的部分功能分離的突變體（partial separation-of-function mutant），研究者發現FACT與CAF-1和Rtt106一起參與核小體組裝。在生物化學角度，新生的H3-H4從Rtt106移交到FACT，而H3K56ac可促進這種移交。在遺傳學上，spt16-m突變的等位基因與缺少CAF-1或Rtt106的突變體顯示出合成缺陷（synthetic defects）。因此，在芽殖酵母中，CAF-1、Rtt106、FACT功能冗餘地或者協作負責新生H3-H4組蛋白放置到新生DNA中。
近期，單鏈DNA結合蛋白RPA（replication factor A）同時參與新生H3-H4的DNA複製耦聯的核小體組裝以及不依賴於DNA複製的核小體組裝。在酵母中，RPA包含Rfa1、Rfa2和Rfa3三個亞基；在人類中，RPA的三個亞基為RPA1、RPA2、RPA3。RPA可覆蓋在在DNA複製和修復過程中產生的ssDNA上。RPA對於這些過程非常關鍵。在芽殖酵母中，RPA結合H3-H4，以及三個已知參與新生H3-H4的核小體組裝的組蛋白伴侶CAF-1、FACT、Rtt106。存在H3-H4結合缺陷的rfa1突變體其新生H3-H4核小體組裝受到影響。體外實驗中，RPA結合ssDNA，促進鄰近雙鏈DNA上H3-H4的核小體組裝。基於這些結果，作者認為RPA為組蛋白伴侶和H3-H4在鄰近新生DNA上的組裝提供了結合平台。在人類細胞中，RPA也被發現與H3.1（在DNA複製耦聯的核小體組裝中H3.1被組裝進入核小體）共純化（共純化即表示存在相互作用）。因此，很容易推測人類的RPA可能同樣有助於DNA複製耦聯的核小體組裝。此外，在基因調控元件上放置H3.3的過程中，也發現人類RPA與組蛋白伴侶HIRA相互作用。基因調控元件富集在R-loops區域，RPA結合ssDNA的能力對於H3.3的放置至關重要。基於這些結果推測，RPA結合R-loops中的ssDNA，可能在基因調控元件上促進HIRA-介導的H3.3核小體組裝。因此，RPA複合物不僅在DNA複製耦聯的核小體組裝中，而且在不依賴於DNA複製的核小體組裝中，都發揮作用。
此前，在DNA複製耦聯的核小體組裝中，H3.3被發現具有填補縫隙的作用（gap-filling role）。研究RPA-HIRA-H3.3的放置通路是否參與這個過程將會十分有意思。然而，在S期，在所有的DNA複製叉中RPA結合ssDNA，而且相比於H3.3核小體的組裝，H3.1核小體組裝佔主導地位。因此，在S期，如果RPA-HIRA-H3.3放置通路參與調補縫隙的作用，這個通路可能受限於促進CAF-1介導的H3.1核小體組裝。
體外實驗表明，參與同源重組的TONSL-MMS22L複合物是一個新的組蛋白H3.1伴侶。藉助定量質譜方法，發現TONSL-MMS22L複合物與H3.1，以及與組蛋白伴侶Asf1b和複製性解旋酶MCM的三個亞基共純化。而且還觀察到活性複製解旋酶複合物CMG（Cdc45、MCM、GINS）的關鍵組分Cdc45和GINS並不與TONSL-MMS22L相互作用，基於這些結果和現象推測，TONSL-MMS22L可能與MCM解旋酶的非活性形式（inactive form）相互作用。在體外實驗中，TONSL-MMS22L複合物具有組蛋白伴侶活性，TONSL的N端的錨蛋白重複域（ankyrin repeat domain，ARD）介導其與H3-H4的相互作用。對ARD與Mcm2組蛋白結合結構域（histone-binding domain，HBD）形成的複合物進行結構分析，發現ARD識別未甲基化的H4K20（H4K20me0），H4K20me0是新生H4的標誌。TONSL結合H4K20me0的能力對於TONSL-MM2SSL結合到複製叉非常重要。因此推測，除了作為H3.1的組蛋白伴侶，TONSL-MMS22L還在標記包含H4K20me0的新生染色質中發揮作用。這些研究拋出了很多問題。首先，TONSL-MMS22L為何更傾向於識別H3.1，而不是H3.3？其次，在正常DNA複製過程中，TONSL-MMS22L複合物對於H3.1的核小體組裝也發揮作用嗎？第三，TONSL-MMS22L複合物在核小體組裝中的作用與它們在停滯的複製叉上進行同源重組的作用相關嗎？
3. 舊的H3-H4的核小體組裝
與新合成的H3-H4相比，舊的H3-H4四聚體組裝進入核小體方面的機制還很不清楚。類似於新的H3-H4四聚體，可能的機制是，一旦複製體（replisome）前面的核小體被擾亂，組蛋白伴侶（其中一些直接參与DNA複製）就負責押解舊的組蛋白。如果沒有一種將DNA複製叉前面的舊的H3-H4轉移到鄰近的正在複製中的DNA上的活性機制，那麼舊的組蛋白就會擴散開，位點特異性的表觀遺傳信息也就丟失了。現階段要鑒定參與舊的H3-H4核小體組裝的蛋白以及闡明它們的功能，依然存在諸多挑戰。令人欣慰的是，近期的研究已經鑒定了在這個過程中可能發揮作用的一些因子。
早期的體外研究顯示，人類的Mcm2（MCM解旋酶複合物的亞基）包含一個可以結合H3-H4的HBD。在芽殖酵母細胞中，這個結構域對於解旋酶活性並不是必須的，而且對於DNA複製的作用十分微弱的Mcm2中的HBD突變，可以導致轉錄沉默的缺陷，這提示了HBD在染色質功能中的重要性。如果Mcm2參與舊的H3-H4的放置，那麼可能Mcm2與其他蛋白一起執行這種功能，因為酵母細胞表達組蛋白結合缺陷的Mcm2突變體是可存活的。
在人類細胞中發現，Asf1可以與MCM解旋酶結合，這種結合由組蛋白H3-H4牽線搭橋。此外，與MCM解旋酶共純化的H3-H4分子中存在一些在舊的組蛋白中出現的修飾。因此，這提示Asf1和MCM解旋酶在舊的組蛋白放置中發揮功能。近期的結構研究表明，Mcm2可以與組蛋白H3-H4形成兩種不同的複合物，兩個Mcm2蛋白結合一個H3-H4四聚體，或者一個與H3-H4二聚體結合的Mcm2與Asf1。當結合到四聚體時，Mcm2阻斷了DNA以及H2A-H2B中H3-H4的停靠位點，因此阻斷了它們的核小體組裝，這與早期的觀察——舊的H3-H4在DNA複製以後保持四聚體——相吻合。但是作者和其他人提出了一個模型，即Mcm2捕獲了被剝離出去的H3-H4四聚體，但是隨後Asf1加入，Asf1結合到H3表面（H3表面參與H3-H4四聚體的形成）。在這個模型中，舊的H3-H4四聚體可能瞬時地解聚為兩個二聚體。如上所述，在細胞周期的S期，舊的H3-H4四聚體作為一個整體被放置。因此，解聚舊的四聚體對於DNA複製後它們的重新組裝是否必要，這件事情還有待考究。
近期，使用染色質作為模板，兩個課題組利用在芽殖酵母中純化的蛋白重構了染色質複製。在這個體外體系中，DNA複製以後核小體可以被有效組裝。此外，新合成的H3-H4並沒有被加入到這個反應中。因此，這個體系可能包含了對於在DNA複製以後將舊的H3-H4四聚體轉移到複製中的DNA上的最少組分，這提示舊的核小體的組裝與新的核小體的組裝是獨立的。利用這套系統，研究發現FACT對於DNA合成是必須的，而兩個組蛋白乙醯基轉移酶Gcn5和Esa1也可以刺激DNA合成。此前研究發現，FACT與MCM解旋酶共純化，並被認為負責放置舊的組蛋白H3-H4。在這個在染色質模板上重構的體外轉錄體系中，FACT被認為擾亂核小體以促進基因轉錄。因此，是否FACT在體外DNA複製系統中的功能與它們在核小體重組、舊的H3-H4的放置或者兩者兼具中的功能是否相關還有待進一步研究。
近期的研究發現，不同的染色質重塑複合物利用不同的組蛋白修飾來決定底物的偏好性。此外，染色質重塑複合物在DNA複製中具有不同的功能。因此，在DNA複製過程中，有可能Gcn5和Esa1修飾親代的組蛋白以引導染色質重塑。在芽殖酵母中，Gcn5被證明乙醯化H3 N端的賴氨酸殘基，以及在新合成的H3-H4的DNA複製耦聯的核小體重組過程中發揮作用。因此，可能類似於FACT，Gcn5在舊的和新生的H3-H4核小體重組中都發揮作用。總體而言，參與舊的H3-H4四聚體的核小體組裝中的一些關鍵因子已經被鑒定出來。未來的研究將闡明它們是否確實參與舊的H3-H4的轉移，以及如果參與，利用體內和/或位點特異性的突變，進一步闡明具體的機制。更進一步，複製體（replisome）組分對於舊的H3-H4的核小體組裝是否需要，以及舊的H3-H4在何種程度上協同新合成的H3-H4的從頭的核小體組裝。
4. DNA複製後染色質成熟：核小體回歸原位
核小體組裝以後，最開始隨機放置的核小體之後被移動到原始的DNA位置，這個過程被稱為「染色質成熟（chromatin maturation）」。無論在酵母和人類細胞中，在通過複製叉以後，重建核小體位置（re-establish nucleosome positions）所需要的時間根據基因的區域而變化。在芽殖酵母細胞中，啟動子區域（核小體剝離區域（the nucleosome-free region, NFR），轉錄起始位點的正上方）特有的核小體結構在DNA複製後的數分鐘複製。
在芽殖酵母中，有兩個模型解釋NFR的快速恢復。首先，轉錄因子和染色質重塑複合物快速結合到新生DNA並作為核小體放置的參考點（reference point）。另一種機制，染色質重塑因子與組蛋白伴侶合作，一起在正確的位置放置核小體。與芽殖酵母中的相反，在果蠅晚期胚胎中觀察到的核小體位置呈現一種不同的動態。DNA複製以後，啟動子和增強子等調控元件丟失它們特有的NFR特徵，直到通過複製叉一個小時以後才恢復。NFRs的恢復與轉錄因子的結合以及染色質重塑複合物（可能引導新放置的核小體回到原來的位置）相關。作者認為，這種更慢的成熟迫使轉錄因子與核小體競爭性地與DNA結合。這種機制也可能為染色質狀態和基因轉錄提供一個機會窗口（provides a window of opportunity）。
然而，對於早期胚胎中的細胞，染色質可及性模式的重建在DNA複製後數分鐘觀察到。這提示在果蠅中，複製叉的通過之後染色質成熟可能依賴於發育階段。與NFR區域不同，在芽殖酵母中，基因體（gene body）的核小體模式（nucleosome landscape）顯示出更低的和變化的成熟速率。高度轉錄的基因在DNA複製後顯示出更快的成熟速率，提示在核小體模式的重建中更快的染色質成熟對於轉錄發揮活性作用。此外，參與不依賴於DNA複製的核小體組裝的HIR複合物，對於在活性基因中觀察到的更快的染色質成熟也是需要的。特別地，一些基因的兩個拷貝顯示出不同的成熟速率，當轉錄的模板是新合成的DNA鏈時，無論在前導鏈還是後隨鏈，成熟速率總是更慢。因為這與轉錄的方向一致，更慢成熟的拷貝從前進中的複製叉的反方向轉錄，作者認為存在一種可能抑制從這個基因拷貝轉錄的機制，進而避免複製和轉錄機器的衝突。
在不同染色質區域除了核小體成熟呈現不同動態，在DNA複製後，不同組蛋白修飾也以不同的速率恢復。藉助質譜對DNA複製後多種在新合成的和成熟的染色質中的不同組蛋白修飾進行分析，發現在細胞進入下一個S期之前，絕大多數組蛋白翻譯後修飾的總體水平被恢復（圖5）。有趣的是，觀察到新生的H3上的組蛋白標籤的兩種不同的恢復模式：一些組蛋白標籤從舊的組蛋白有效地複製到新生組蛋白，然而其他的標籤需要數代（several generations）來使得新合成的H3上的修飾達到舊的H3上修飾的水平。比如，在下一個細胞周期之前，單甲基化標籤對於新生組蛋白是必須的；而三甲基化，比如H3K9me3和H3K27me3，則需要更久來恢復，而且需要新生的和舊的組蛋白上持續不斷的修飾。以上的結果強調了DNA複製後染色質狀態恢復的動態以及內容依賴性（context-dependent）的特性。
5. DNA複製耦聯的核小體重塑在細胞命運決定及維持中的功能
在一個更為簡單的真核系統中，包括芽殖酵母和果蠅，對於DNA複製耦聯的核小體組裝必須的因子（包括CAF-1和PCNA）的突變可減少轉錄沉默。推測這些因子對於沉默的染色質狀態的遺傳非常重要。在多細胞生物中，一種特定細胞類型的分化狀態通過一種特異性的轉錄程序穩定。染色質結構和組蛋白翻譯後修飾在這個過程中發揮重要作用。因此，在每種細胞的染色質中蘊藏的表觀遺傳信息的忠實傳遞有助於在細胞分裂過程中維持基因表達模式。近期在多個系統中的研究發現，核小體組裝缺陷可以影響細胞身份和分化。
科學家們構建了一套篩選體系，一旦某個蛋白缺失，就可以增加小鼠成纖維細胞被轉錄因子Oct4重編程到誘導多能性幹細胞（iPSC）的效率，在這種篩選中，作用最顯著的因子是CAF-1複合物亞基。作者發現，CAF-1複合物水平的降低加速了從不同分化程度的細胞類型重編程為iPSC的形成。CAF-1的缺失增加了增強子元件區域染色質的開放性，否則這些區域對於轉錄因子來說是接觸不到的，這促進了細胞的重編程。另一項獨立的研究也發現，CAF-1抑制全能性細胞（就像二細胞期的卵裂球一樣）的出現。在小鼠中，只有合子和二細胞期的卵裂球具有全能性（可以生成整個胚外譜系），這種特性在多能性幹細胞中丟失，顯示出相對較弱的細胞可塑性。然而，CAF-1介導的（通過缺失或者通過表達存在染色質重塑存在缺陷突變體）核小體活性受損導致一些多能性幹細胞逆轉到二細胞狀態。缺失CAF-1導致染色質可及性的變化，誘導了全能性標籤的表達。在缺失CAF-1的細胞中，染色質可及性增加，可能為轉錄因子和染色質調控因子提供了重置染色質狀態的機會。這些研究表明，CAF-1可以作為細胞身份的看門者，在細胞分裂中通過維持染色質模式（chromatin patterns），因此維持細胞特異性的轉錄程序。早期的研究表明，在DNA複製過程中，CAF-1複合物與異染色質蛋白HP1相互作用，這提示存在一種組蛋白伴侶調控異染色質標籤H3K9me3傳播的機制。
一項獨立的研究報道，CAF-1對於抑制性標誌H3K27me3的傳遞以及對植物中負責幹細胞激活的基因的沉默至關重要。CAF-1可與H3K27me3甲基轉移酶PRC2相互作用，因此推測CAF-1招募PRC2到DNA複製叉，進而將H3K27me3標誌從舊的H3複製到新生的H3。在分化的植物細胞中，這種複製耦聯的H3K27me3的恢復與成年人類細胞中觀察到的這種沉默性的標籤的慢速傳播形成對比。在哺乳動物細胞中，CAF-1是否在組蛋白甲基轉移酶參與的H3K27me3的傳遞中發揮活性作用還有待進一步的驗證。但顯而易見的是，組蛋白伴侶Asf1也參與細胞命運的維持和決定。在卵子中，Asf1a被鑒定為重編程因子，對於將人類成年皮膚成纖維細胞重編程到iPSC是必要的。在這個過程中，Asf1a的工作機制還有待闡明。
在一些情況下，幹細胞經歷不對稱分裂，產生一個幹細胞和一個分化的細胞。參與DNA複製耦聯的核小體組裝的因子也可能在不對稱細胞分裂中發揮作用。比如，在線蟲中，影響DNA複製耦聯的核小體組裝的突變，包括H3四聚體界面的突變和CAF-1的缺失，剝削了對於神經雙邊不對稱（neural bilateral asymmetry）形成所必要的不對稱分裂。作者認為這種不對稱分裂可能歸因於前導鏈和後隨鏈中核小體的差異性放置。PCNA富集在後隨鏈，這可能偏向於CAF-1介導的核小體放置，產生具有不同核小體密度（這可能會影響對子細胞中神經元命運必須的基因的表達）的姐妹染色單體。在果蠅的生殖幹細胞中也觀察到不對稱的組蛋白分離，產生一個富集舊的組蛋白H3.1的幹細胞，和一個富集新合成的H3.1的分化的促性腺細胞（gonialblast）。相反，H3.3以不依賴於DNA複製的方式被組裝進核小體，而H3.3並沒有顯示出這種不對稱的分離模式。這些結果表明，複製耦聯的核小體組裝通路可能在這種一個幹細胞和一個分化細胞之間的劇烈的組蛋白不對稱分布中發揮作用。
6. 結語
在過去25年中，參與DNA複製耦聯的核小體組裝的典型的組蛋白伴侶CAF-1的發現，加速了我們理解這個重要的細胞過程的進度。近些年具有不同功能的多種蛋白加入了調控DNA複製耦聯的核小體組裝的因子的名單。越來越明顯的是，DNA複製和核小體組裝的聯繫如此緊密，一些參與DNA合成的蛋白，比如Mcm2和RPA，在核小體組裝中也具有直接和相對獨立的功能。組蛋白伴侶複合物的結構生物學研究揭示了新的結合模塊，以及這些蛋白與它們所運輸的貨物（cargo）之間的相互作用，為闡明組蛋白運輸和放置（histone shuttling and deposition）的分子機制提供了線索。此外，藉助重組的染色質複製的體外研究也被證明是一個研究核小體組裝的寶貴工具。與調控新生組蛋白的核小體組裝的組蛋白伴侶的複雜網路相反，掌控舊的組蛋白（攜帶表觀遺傳信息）的轉移的具體機制始終還不清楚（參見「懸而未決的問題」）。要回答這個或其他與DNA複製耦聯的核小體組裝相關的基本問題，一個核心挑戰是檢測這個過程的技術困難。隨著新技術的發展，包括冷凍電鏡（適用於鑒定大的複合物的結構）以及eSPAN方法（檢測全基因組水平DNA複製叉上前導鏈和後隨鏈上的蛋白），以及具有潛力的單分子技術，我們期待獲得關於核小體組裝過程的新認知。最後，隨著基因編輯技術的發展，如可精確編輯基因的CRISPR/Cas9，我們也期待進一步探究在多細胞生物的細胞分化和發育中DNA複製耦聯的核小體組裝的功能。
懸而未決的問題：
Outstanding Questions：
1. When does tetramerization of H3–H4 dimers occur when bound to different histone chaperones?
2. How is a histone chaperone released from histones for nucleosome formation?
3. Which factors are responsible for parental H3–H4 deposition onto replicating DNA?
4. In view of the fact that FACT is involved in nucleosome disassembly and reassembly, could this histone chaperone escort parental histones during the process of histone recycling?
5. Is nucleosome assembly regulated distinctly at leading and lagging strands of DNA replication forks?
6. What are the exact roles of transcription factors and chromatin remodelers in replication-coupled nucleosome assembly?
7. Does transient loss of the nucleosome landscape have any biological meaning in the maintenance of cell identity during division?
8. How, and to what extent, does DNA replication-coupled nucleosome assembly regulate cell fate and differentiation? Do factors responsible for distinct steps of nucleosome assembly have different roles in cell identity maintenance and differentiation? What are the implications of deregulation of these mechanisms in diseases such as cancer?
9. Is the nucleosome assembly machinery involved in the asymmetric cell divisions that give rise to two distinct daughter cells? How common is this mode of histone segregation in multicellular organisms?
10. Are the different histone marks transmitted with distinctive fidelity? How are they re-established after mitosis?
本文譯自 2018 年 2 月發表於Trends in Biochemical Sciences上題為 Replication-Coupled Nucleosome Assembly in the Passage of Epigenetic Information and Cell Identity 的綜述文章，文章一作為 Albert Serra-Cardona，通訊作者為哥倫比亞大學 Zhiguo Zhang（張志國）教授。
文章首發於微信公眾平台：Epigenetics表觀遺傳學
DNA 複製過程中，組蛋白如何複製？核小體如何重組？組蛋白修飾如何遺傳？
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