清華新聞網(wǎng)12月14日電 在基因的表觀(guān)遺傳調(diào)控中，不同位點(diǎn)不同類(lèi)型的組蛋白修飾通常代表了不同的基因調(diào)控事件。比如，組蛋白修飾H3K4me3常與基因的活躍轉(zhuǎn)錄相關(guān)，而組蛋白修飾H3K9me3和H3K27me3則常與基因沉默相關(guān)。雖然兩類(lèi)組蛋白修飾的基因組分布很不相同，但在特定基因表達(dá)狀態(tài)切換的特殊時(shí)期兩種修飾存在基因組上的共定位。
H3K4me3和H3K27me3在胚胎干細(xì)胞的基因組中存在共定位，這些二價(jià)修飾的基因組區(qū)域使發(fā)育關(guān)鍵基因處于蓄勢(shì)待發(fā)的“暫?！睜顟B(tài)，以便快速響應(yīng)外界的分化信號(hào)。另有文獻(xiàn)報(bào)道，組蛋白修飾H3K4me3和H3K9me3在滋養(yǎng)層干細(xì)胞（trophoblast stem cell，TSC）和胚外內(nèi)胚層干細(xì)胞（extraembryonic endoderm stem cell，XEN）的基因組上存在共定位并介導(dǎo)發(fā)育關(guān)鍵基因表達(dá)“暫?！睜顟B(tài)，盡管二價(jià)修飾所介導(dǎo)的基因調(diào)控事件非常重要，但這一過(guò)程中的下游效應(yīng)因子還很不清楚。
12月4日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院李海濤教授課題組針對(duì)此問(wèn)題在《生物化學(xué)期刊》（Journal of Biological Chemistry）發(fā)表了最新研究成果：“Spindlin1識(shí)別組蛋白二價(jià)修飾H3”K4me3-K9me3/2”的分子基礎(chǔ)”（Molecular basis for histone H3 “K4me3-K9me3/2” methylation pattern readout by Spindlin1）。這項(xiàng)工作發(fā)現(xiàn)Spindlin1可以以超強(qiáng)親和力識(shí)別組蛋白二價(jià)修飾H3“K4me3-K9me3/2”,復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)表明，組蛋白修飾H3K4me3和H3K9me3/2可以同時(shí)被Spindlin1第二個(gè)和第一個(gè)Tudor結(jié)構(gòu)域芳香籠識(shí)別。該識(shí)別事件使下游基因表達(dá)處于一個(gè)“暫?！睜顟B(tài)，以便使基因快速激活或沉默，這一過(guò)程可能在胚胎發(fā)育早期細(xì)胞命運(yùn)決定的關(guān)鍵基因以及對(duì)外界營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)敏感的rDNA基因的表達(dá)調(diào)控中發(fā)揮重要作用。
研究人員首先利用ITC技術(shù)體外測(cè)得Spindlin1對(duì)于H3“K4me3-K9me3”多肽的親和力為16納摩爾，是目前已知的Spindlin1對(duì)各種組蛋白甲基化多肽的親和力中最強(qiáng)的一個(gè)。Spindlin1-H3“K4me3-K9me3/2”復(fù)合物結(jié)構(gòu)表明，H3K4me3和H3K9me3/2分別被Spindlin1的第二個(gè)和第一個(gè)Tudor結(jié)構(gòu)域識(shí)別。進(jìn)一步的突變體實(shí)驗(yàn)表明，第二個(gè)Tudor結(jié)構(gòu)域?qū)3K4me3的識(shí)別主導(dǎo)了該結(jié)合事件，第一個(gè)Tudor結(jié)構(gòu)域?qū)3K9me3/2的識(shí)別進(jìn)一步增強(qiáng)了Spindlin1與組蛋白之間的相互作用。
體外結(jié)合實(shí)驗(yàn)表明，其它H3K4me3的“閱讀器”對(duì)于H3K4me3的解離常數(shù)在微摩爾水平，且H3K9me3的存在會(huì)進(jìn)一步減弱其親和力，相比之下，H3K9me3不僅不會(huì)減弱反而增強(qiáng)Spindlin1對(duì)組蛋白H3的親和力。ChIP-Seq實(shí)驗(yàn)表明Spindlin1與H3“K4me3-K9me3”修飾存在兩種共定位模式：一種是Spindlin1在H3K9me3泛富集分布區(qū)與H3K4me3峰共定位存在；另一種是Spindlin1與二價(jià)修飾共同形成“尖而窄”的峰，集中分布于基因的啟動(dòng)子區(qū)域。這提示Spindlin1是一個(gè)H3K9me3富集區(qū)染色質(zhì)（常常是異染色質(zhì)區(qū)或基因沉默區(qū)）的H3K4me3“閱讀器”。值得一提的是，在HEK293細(xì)胞中，Spindlin1和“H3K4me3-H3K9me3”二價(jià)修飾共存區(qū)僅占H3K9me3或H3K4me3富集區(qū)的2%左右，調(diào)控了約300多個(gè)基因表達(dá)。在分子功能上，這些共定位基因顯著富集（>40%）于轉(zhuǎn)錄和基因調(diào)控過(guò)程，包括鋅指蛋白、表觀(guān)遺傳酶、生長(zhǎng)因子、非編碼RNA以及rDNA相關(guān)基因等。
Spindlin1識(shí)別組蛋白二價(jià)修飾介導(dǎo)基因表達(dá)“暫?！睜顟B(tài)
在胚胎早期發(fā)育細(xì)胞命運(yùn)決定時(shí)期，H3K9me3介導(dǎo)的異染色質(zhì)是細(xì)胞實(shí)現(xiàn)基因組重編程的主要“能壘”，研究人員認(rèn)為，基因組重編程過(guò)程中，H3K9me3/2廣泛存在的異染色質(zhì)區(qū)域可以被H3K4甲基轉(zhuǎn)移酶加上H3K4me3修飾，此時(shí)，組蛋白二價(jià)修飾H3“K4me3-K9me3/2”可以有效招募Spindlin1，進(jìn)而使下游基因表達(dá)處于“暫?！睜顟B(tài)，以便快速響應(yīng)外界細(xì)胞分化或代謝信號(hào)。
該工作首次鑒定到Spindlin1是異染色質(zhì)區(qū)域的H3K4me3的“閱讀器”，識(shí)別組蛋白雙修飾H3“K4me3-K9me3/2”。這一識(shí)別事件可能在胚胎發(fā)育早期細(xì)胞分化的關(guān)鍵基因和細(xì)胞核仁中rDNA基因的表達(dá)調(diào)控過(guò)程中發(fā)揮重要作用。
此外，2014年清華大學(xué)李海濤課題組與吳畏課題合作曾在《基因與發(fā)育》（Genes Dev）雜志發(fā)文首次報(bào)導(dǎo)Spindlin1是一類(lèi)組蛋白H3“K4me3-R8me2a”（Rme2a，精氨酸非對(duì)稱(chēng)二甲基化）甲基化組合修飾的強(qiáng)效“閱讀器”（親和力為45納摩爾），激活Wnt信號(hào)通路靶基因表達(dá)。結(jié)構(gòu)分析表明，H3R8me2a修飾與H3K9me3類(lèi)似被同一個(gè)“閱讀器”口袋識(shí)別（具體模式略有差別），進(jìn)而強(qiáng)化了Spindlin1對(duì)H3K4me3的識(shí)別。上述系列研究提示，Spindlin1可以作為一個(gè)“超級(jí)”閱讀器，響應(yīng)不同的上游甲基化“書(shū)寫(xiě)器”（writer）通路，識(shí)別不同基因組區(qū)段的H3K4me3修飾或修飾組合景觀(guān)，從表觀(guān)遺傳層面調(diào)控重要基因的表達(dá)。
此項(xiàng)科研成果在清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院完成。醫(yī)學(xué)院李海濤教授為通訊作者，趙帆博士為本論文第一作者，蘇曉楠博士和博士生宋雨桐對(duì)本工作有重要貢獻(xiàn)。清華大學(xué)張奇?zhèn)ソ淌谡n題組碩士生劉雨楠在高軍濤副研究員指導(dǎo)下作為第二作者完成了ChIP-Seq實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析工作。同時(shí)，該研究工作得到了醫(yī)學(xué)院王大亮副教授，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院(NIH)糖尿病研究所戈凱教授和Ji-Eun Lee博士的指導(dǎo)與支持，上海同步輻射光源和清華大學(xué)X-ray晶體學(xué)平臺(tái)給予大力協(xié)助。
論文鏈接：
https://www.jbc.org/content/295/49/16877.full
供稿：醫(yī)學(xué)院
編輯：李華山
審核：呂婷
