農(nóng)學(xué)院董杰研究員參與的科研成果在Science上發(fā)表，揭示組蛋白H3.1變體維持基因組穩(wěn)定性新機(jī)制
? ? 近日，耶魯大學(xué)Yannick Jacob實(shí)驗(yàn)室在Science上發(fā)表了題為The histone H3.1 variant regulates TONSOKU-mediated DNA repair during replication的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)動(dòng)植物中保守的TONSOKU（TSK）蛋白存在一個(gè)特定的TPR結(jié)構(gòu)域，能在DNA 復(fù)制的過程中特異性識別組蛋白H3 變體H3.1，從而在DNA復(fù)制過程中修復(fù)?DNA斷裂，保障DNA復(fù)制在生物體內(nèi)的穩(wěn)定進(jìn)行。渥太華晶體中心Hossein技術(shù)員和耶魯大學(xué)博士生黃義竣為論文共同第一作者，Jacob教授為本文通訊作者，浙江大學(xué)董杰研究員合作參與了該項(xiàng)工作。??
? ? ? 動(dòng)植物中的組蛋白H3家族存在兩種變體，分別是依賴DNA復(fù)制插入染色質(zhì)的H3.1變體（H3.1 variant）以及獨(dú)立于DNA復(fù)制的H3.3變體（H3.3 variant）。兩變體間序列高度相似，在組蛋白修飾富集的N端序列（1-40 aa）上，僅在第31位氨基酸上存在區(qū)別（H3.1A31和H3.3T31，動(dòng)物上為H3.3S31）。有趣的是，這兩類組蛋白H3變體卻在基因組分布和表達(dá)水平上存在顯著的差異。H3.3多富集于轉(zhuǎn)錄活躍的常染色質(zhì)（euchromatin）上，H3.1則富集于抑制轉(zhuǎn)錄的異染色質(zhì)（heterochromatin）上 。因此，了解這兩種不同的組蛋白H3變體是否能招募特定的表觀遺傳修飾因子（histone?reader）以識別特異的組蛋白修飾，從而進(jìn)一步探究為何生物需要進(jìn)化出兩種如此相似卻功能特異的H3變體，一直是該領(lǐng)亟待解決的問題。
? ? ? 在植物中，組蛋白H3K27 單甲基轉(zhuǎn)移酶?ATXR5 和?ATXR6（ATXR5/6）是目前已知唯一能特異性甲基化?H3.1 變體的組蛋白修飾酶（Jacob et al., 2009）。ATXR5/6突變會導(dǎo)致轉(zhuǎn)座子活化和異染色質(zhì)序列的異常擴(kuò)增，證明了ATXR5/6 在維持植物基因組穩(wěn)定性方面扮演重要的角色。ATXR5/6 對?H3.1 的特異性單甲基化進(jìn)一步暗示組蛋白H3.1 變體很有可能在維持基因組穩(wěn)定性和調(diào)控轉(zhuǎn)錄沉默方面具有特定功能。然而，先前的研究并未闡明?H3.1 變體是通過哪些機(jī)制參與維持基因組穩(wěn)定，而由于ATXR5/6僅存在植物中，該機(jī)制在動(dòng)物中是否保守仍待近一步探索。
? ? ? 研究表明，TSK蛋白通過其保守的TPR結(jié)構(gòu)域特異性辨認(rèn)組蛋白H3.1變體，并通過調(diào)控DNA修復(fù)影響基因組的穩(wěn)定性。先前的研究表明，動(dòng)物中TSK的同源蛋白TONSL能辨認(rèn)未修飾的組蛋白H4并介導(dǎo)HR修復(fù)處理DNA復(fù)制中的損傷（?Saredi et al., 2016）。研究人員通過序列比對發(fā)現(xiàn)TONSL蛋白在動(dòng)物中與組蛋白H4結(jié)合的ANK結(jié)構(gòu)域在植物中并不存在，反之TPR結(jié)構(gòu)域的序列在動(dòng)植物間卻高度保守。為了進(jìn)一步闡釋TPR結(jié)構(gòu)域的功能，作者通過一系列生化實(shí)驗(yàn)證明了TPR結(jié)構(gòu)域能區(qū)別組蛋白?H3.1變體A31位置和組蛋白H3.3 變體T31位置，以此特異結(jié)合H3.1變體，并且此特異性結(jié)合在動(dòng)物?TONSL 蛋白中也是保守的。之后作者與合作單位共同解析了TSK-TPR與H3.1的蛋白晶體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)TSK與組蛋白H3.1變體N端結(jié)合，且僅辨認(rèn)未修飾的H3.1變體。結(jié)合先前的研究，作者推論TSK可能通過辨認(rèn)未修飾組蛋白H3.1變體，從而與DNA復(fù)制后新生成的染色質(zhì)特異性結(jié)合，在DNA斷裂發(fā)生時(shí)介導(dǎo)HR修復(fù)。
? ? ? 植物新生成染色質(zhì)上的H3.1變體會被ATXR5/6辨認(rèn)進(jìn)行甲基化或被替換為H3.3變體，作者因此推斷先前研究中發(fā)現(xiàn)的由ATXR5/6突變導(dǎo)致的基因組不穩(wěn)定是由于TSK不正常結(jié)合造成。通過構(gòu)建tsk/atxr5/6三突變的遺傳學(xué)材料，進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，三突變的植株能抑制atxr5/6雙突變所導(dǎo)致的基因組不穩(wěn)定性，且此一不穩(wěn)定性是由于基因組的不正常修復(fù)所引起的。
圖1 DNA復(fù)制過程中?H3 變體和TSK之間相互作用模型。1. DNA復(fù)制前TSK 無法和H3.3變體及帶有甲基化修飾?H3.1變體結(jié)合。2. DNA復(fù)制時(shí)，新合成的H3.1 變體由于沒有修飾與?TSK 形成復(fù)合體并插入新生成的染色質(zhì)上。3. 若復(fù)制過程產(chǎn)生DNA雙鏈斷裂，則?TSK 幫助?DNA 修復(fù)避免復(fù)制叉崩潰。4. ATXR5/6 對新插入的?H3.1 變體進(jìn)行單甲基化，防止?TSK 在?DNA 復(fù)制后與?H3.1 變體相互作用。
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? ? ? 綜上所述，該研究報(bào)道了一個(gè)動(dòng)植物間保守的H3.1變體特異識別蛋白TSK，并闡釋了這一蛋白是如何在DNA復(fù)制過程中行使作用。由于H3.1會隨著染色質(zhì)成熟積累甲基化或被置換為?H3.3，從而在染色質(zhì)成熟后阻止TSK蛋白的結(jié)合，將其活性限制在新復(fù)制的?DNA 上，避免過度的DNA修復(fù)導(dǎo)致基因組的不穩(wěn)定（圖1）。這一研究闡明了H3.1和?H3.3變體在第?31 位置存在單個(gè)氨基酸差異的生物學(xué)意義，揭示了組蛋白?H3.1變體新的生物學(xué)功能。
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