清華新聞網(wǎng)8月12日電 二價(jià)染色質(zhì)（bivalent chromatin）是指基因組上同時(shí)被激活性組蛋白修飾和抑制性組蛋白修飾共同標(biāo)記的染色質(zhì)區(qū)域。例如，由激活性H3K4me3和抑制性H3K27me3共同標(biāo)記的二價(jià)啟動(dòng)子（bivalent promoter）；由激活性H3K4me1和抑制性H3K27me3共同標(biāo)記的靜息態(tài)增強(qiáng)子（poised enhancer）。這兩類(lèi)二價(jià)染色質(zhì)對(duì)于譜系基因的表達(dá)和譜系分化發(fā)育的精確調(diào)控具有重要作用。然而，人類(lèi)基因組中是否還有更多類(lèi)型的二價(jià)染色質(zhì)？這些二價(jià)染色質(zhì)的調(diào)控機(jī)理和生物學(xué)功能是什么？目前尚未得到全面深入的解析。
轉(zhuǎn)座元件（Transposable Element, TE；又稱(chēng)為轉(zhuǎn)座子transposon）是基因組中可以發(fā)生跳躍的DNA元件，人類(lèi)基因組中的轉(zhuǎn)座子序列約占45%。長(zhǎng)期以來(lái)，轉(zhuǎn)座子被認(rèn)為是基因組中的“垃圾”序列，然而近年來(lái)越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)座子對(duì)于基因組的結(jié)構(gòu)、基因的表達(dá)調(diào)控等方面具有重要作用。已有研究提示其VNTR區(qū)域具有異染色質(zhì)功能，而SINE-R區(qū)域具有增強(qiáng)子活性。然而，復(fù)合型轉(zhuǎn)座子SVA元件上具有不同功能的區(qū)域及各自攜帶的染色質(zhì)修飾在基因組上是如何被調(diào)控的，以及它們之間的協(xié)同調(diào)控如何影響SVA的轉(zhuǎn)錄及生物學(xué)功能，目前仍然未知。
8月6日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心劉念課題組聯(lián)合北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心李湘盈課題組在《細(xì)胞》（Cell）雜志上在線(xiàn)發(fā)表了題為“攜帶二價(jià)組蛋白修飾的復(fù)合型轉(zhuǎn)座子作為RNA依賴(lài)性增強(qiáng)子調(diào)控細(xì)胞命運(yùn)”（Composite transposons with bivalent histone marks function as enhancers in cell fate regulation）的研究論文。該研究首次揭示了H3K9me3和H3K27ac標(biāo)記的二價(jià)染色質(zhì)對(duì)復(fù)合型轉(zhuǎn)座子SVA的協(xié)同調(diào)控機(jī)理和生物學(xué)功能，并證明了SVA的RNA依賴(lài)性增強(qiáng)子活性及其在造血系統(tǒng)分化和衰老相關(guān)髓系偏好性造血中的重要生理意義，提示其有望成為干預(yù)造血發(fā)育異常和造血衰老的潛在靶標(biāo)。
研究人員首先通過(guò)分析來(lái)自三種不同細(xì)胞系的組蛋白修飾ChIP-seq數(shù)據(jù)，包括常見(jiàn)的抑制性組蛋白H3K9me3、H3K27me3和激活性組蛋白H3K27ac、H3K4me1、H3K4me3和H3K9ac，系統(tǒng)性鑒定了人類(lèi)基因組上不同類(lèi)型二價(jià)染色質(zhì)的組成和分布，結(jié)果發(fā)現(xiàn)H3K9me3、H3K27ac共同標(biāo)記二價(jià)染色質(zhì)在復(fù)合型轉(zhuǎn)座子上富集，包括LTR-L1、SVA等，尤其是在SVA上最為富集，且H3K9me3主要分布于SVA的5’端，H3K27ac主要分布于SVA的3’端（圖1）。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，復(fù)合型轉(zhuǎn)座子LTR-L1的表達(dá)影響染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)TAD的邊界強(qiáng)度；SVA的表達(dá)具有細(xì)胞類(lèi)型特異性，且與其上的二價(jià)染色質(zhì)修飾存在相關(guān)性。
圖1.二價(jià)染色質(zhì)富集在復(fù)合型轉(zhuǎn)座子SVA上
為了探究二價(jià)染色質(zhì)對(duì)于復(fù)合型轉(zhuǎn)座子的調(diào)控機(jī)理和生物學(xué)功能，研究人員以代表性的復(fù)合型轉(zhuǎn)座子SVA為研究對(duì)象。首先，通過(guò)構(gòu)建SVA的表達(dá)報(bào)告系統(tǒng)并運(yùn)用全基因組篩選策略，研究人員找出了SVA的161個(gè)抑制因子和237個(gè)激活因子，這些調(diào)控因子涉及功能多樣的調(diào)控通路和蛋白互作網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)流式和RNA-seq，研究人員驗(yàn)證了其中部分調(diào)控因子，并且分析發(fā)現(xiàn)具有二價(jià)染色質(zhì)修飾的SVA更傾向于被調(diào)控因子所調(diào)節(jié)。接著，研究人員選取了其中的激活因子LMO2和抑制因子METTL3/14進(jìn)行了深入探究。結(jié)果顯示（圖2），LMO2通過(guò)TAL1結(jié)合到SVA的3’端，并招募組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶CBP在SVA的3’端加上H3K27ac。當(dāng)LMO2敲除后，SVA的3’端H3K27ac減少，而5’端H3K9me3增加，從而導(dǎo)致SVA表達(dá)下調(diào)。相反，METTL3/14通過(guò)在SVA的RNA上加上m6A修飾，進(jìn)而招募YTHDC1/SETDB1，在SVA的5’端加上H3K9me3，METTL3/14敲除后，SVA的5’端H3K9me3減少，而3’端LMO2、CBP富集增加，進(jìn)而使H3K27ac增加，SVA表達(dá)升高。
圖2.調(diào)控因子通過(guò)改變二價(jià)修飾影響SVA表達(dá)
功能上，研究人員發(fā)現(xiàn)LMO2或METTL3/14通過(guò)調(diào)控SVA的表達(dá)會(huì)影響SVA周?chē)虻谋磉_(dá)，即類(lèi)似增強(qiáng)子的活性。為了進(jìn)一步驗(yàn)證SVA的RNA依賴(lài)性增強(qiáng)子活性，研究人員通過(guò)CRISPRa/i、Hi-C、SVA deletion、SVA反義核苷酸（ASO）處理等方法，系統(tǒng)驗(yàn)證了SVA依賴(lài)其RNA并通過(guò)染色質(zhì)環(huán)（chromatin loop）接觸并激活遠(yuǎn)程基因表達(dá)的增強(qiáng)子功能。進(jìn)一步，研究人員在造血干細(xì)胞的紅細(xì)胞分化、髓系/淋系雙向分化過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)SVA在包括紅細(xì)胞分化和單核-巨噬細(xì)胞分化在內(nèi)的髓系分化中表達(dá)上調(diào)，而在淋系分化中表達(dá)下降。與此同時(shí)，不同的SVA亞群通過(guò)與不同譜系的特異性基因形成loop激活相應(yīng)譜系發(fā)育基因的表達(dá)。當(dāng)用ASO敲低SVA的RNA后，造血干細(xì)胞分化產(chǎn)生的髓系比例下降而淋系比例升高。最后，研究人員關(guān)注到衰老相關(guān)的髓系偏好性造血現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)衰老造血干細(xì)胞中SVA表達(dá)上調(diào)是導(dǎo)致衰老造血系統(tǒng)中髓系分化比例偏高的原因。而通過(guò)敲低SVA的表達(dá)，可以使衰老造血干細(xì)胞的髓系/淋系分化比例很大程度地恢復(fù)至年輕造血干細(xì)胞的水平，從而揭示了SVA對(duì)于造血系統(tǒng)分化發(fā)育過(guò)程及造血衰老中的重要生理意義（圖3）。
圖3.二價(jià)組蛋白修飾影響SVA的表達(dá)進(jìn)而調(diào)控造血分化和衰老
綜上所述，研究發(fā)現(xiàn)了H3K9me3/H3K27ac標(biāo)記的二價(jià)染色質(zhì)富集在復(fù)合型轉(zhuǎn)座子SVA的不同功能區(qū)域上，并且調(diào)控因子對(duì)二價(jià)修飾的協(xié)同調(diào)控可以動(dòng)態(tài)精確地控制SVA的表達(dá)水平，進(jìn)而調(diào)控SVA的增強(qiáng)子功能，最終影響造血系統(tǒng)分化和衰老。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副教授劉念和北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院研究員李湘盈為論文的通訊作者，劉念課題組CLS項(xiàng)目2020級(jí)博士生周自強(qiáng)和李湘盈課題組朱昰聰博士為論文的共同第一作者。研究得到清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、北京生物結(jié)構(gòu)前沿中心、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃、本源公益基金等的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.07.014
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
