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在基因的表觀遺傳調(diào)控中，不同位點不同類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)。雖然兩類組蛋白修飾的基因組分布很不相同，但在特定基因表達狀態(tài)切換的特殊時期兩種修飾存在基因組上的共定位。

H3K4me3和H3K27me3在胚胎干細胞的基因組中存在共定位，這些二價修飾的基因組區(qū)域使發(fā)育關(guān)鍵基因處于蓄勢待發(fā)的“暫?！睜顟B(tài)，以便快速響應(yīng)外界的分化信號(1)。另有文獻報道，組蛋白修飾H3K4me3和H3K9me3在滋養(yǎng)層干細胞（trophoblast stem cell，TSC）和胚外內(nèi)胚層干細胞（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“暫?！睜顟B(tài)(2)，盡管二價修飾所介導(dǎo)的基因調(diào)控事件非常重要，但這一過程中的下游效應(yīng)因子還很不清楚。

2020年12月4日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院李海濤教授課題組針對此問題在Journal of Biological Chemistry雜志發(fā)表了最新研究成果：“Molecular basis for histone H3 “K4me3-K9me3/2” methylation pattern readout by Spindlin1”。這項工作發(fā)現(xiàn)Spindlin1可以以超強親和力識別組蛋白二價修飾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可以同時被Spindlin1第二個和第一個Tudor結(jié)構(gòu)域芳香籠識別。該識別事件使下游基因表達處于一個“暫?！睜顟B(tài)，以便使基因快速激活或沉默，這一過程可能在胚胎發(fā)育早期細胞命運決定的關(guān)鍵基因以及對外界營養(yǎng)狀態(tài)敏感的rDNA基因的表達調(diào)控中發(fā)揮重要作用。

研究人員首先利用ITC技術(shù)體外測得Spindlin1對于H3“K4me3-K9me3”多肽的親和力為16納摩爾，是目前已知的Spindlin1對各種組蛋白甲基化多肽的親和力中最強的一個。Spindlin1-H3“K4me3-K9me3/2”復(fù)合物結(jié)構(gòu)表明，H3K4me3和H3K9me3/2分別被Spindlin1的第二個和第一個Tudor結(jié)構(gòu)域識別。進一步的突變體實驗表明，第二個Tudor結(jié)構(gòu)域?qū)3K4me3的識別主導(dǎo)了該結(jié)合事件，第一個Tudor結(jié)構(gòu)域?qū)3K9me3/2的識別進一步增強了Spindlin1與組蛋白之間的相互作用。

體外結(jié)合實驗表明，其它H3K4me3的“閱讀器”對于H3K4me3的解離常數(shù)在微摩爾水平，且H3K9me3的存在會進一步減弱其親和力，相比之下，H3K9me3不僅不會減弱反而增強Spindlin1對組蛋白H3的親和力。ChIP-Seq實驗表明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 與二價修飾共同形成“尖而窄”的峰，集中分布于基因的啟動子區(qū)域。這提示Spindlin1是一個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細胞中，Spindlin1和“H3K4me3-H3K9me3”二價修飾共存區(qū)僅占H3K9me3或H3K4me3富集區(qū)的2%左右，調(diào)控了約300多個基因表達。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)控過程，包括鋅指蛋白、表觀遺傳酶、生長因子、非編碼RNA以及rDNA相關(guān)基因等。

在胚胎早期發(fā)育細胞命運決定時期，H3K9me3介導(dǎo)的異染色質(zhì)是細胞實現(xiàn)基因組重編程的主要“能壘”(3)，研究人員認為，基因組重編程過程中，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(4)，此時，組蛋白二價修飾H3“K4me3-K9me3/2”可以有效招募Spindlin1，進而使下游基因表達處于“暫?！睜顟B(tài)，以便快速響應(yīng)外界細胞分化或代謝信號。

綜上所述，該工作首次鑒定到Spindlin1是異染色質(zhì)區(qū)域的H3K4me3的“閱讀器”，識別組蛋白雙修飾H3“K4me3-K9me3/2”。這一識別事件可能在胚胎發(fā)育早期細胞分化的關(guān)鍵基因和細胞核仁中rDNA基因的表達調(diào)控過程中發(fā)揮重要作用。

Spindlin1識別組蛋白二價修飾介導(dǎo)基因表達“暫?！睜顟B(tài)

此外，2014年清華大學(xué)李海濤課題組與吳畏課題合作曾在Genes Dev雜志發(fā)文首次報導(dǎo)Spindlin1是一類組蛋白H3“K4me3-R8me2a”（Rme2a，精氨酸非對稱二甲基化）甲基化組合修飾的強效“閱讀器”（親和力為45納摩爾），激活Wnt信號通路靶基因表達(5)。結(jié)構(gòu)分析表明，H3R8me2a修飾與H3K9me3類似被同一個“閱讀器”口袋識別（具體模式略有差別），進而強化了Spindlin1對H3K4me3的識別。上述系列研究提示，Spindlin1可以作為一個“超級”閱讀器，響應(yīng)不同的上游甲基化“書寫器”（writer）通路，識別不同基因組區(qū)段的H3K4me3修飾或修飾組合景觀，從表觀遺傳層面調(diào)控重要基因的表達。

此項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，蘇曉楠博士和宋雨桐同學(xué)對本工作有重要貢獻。清華大學(xué)張奇?zhèn)ソ淌谡n題組劉雨楠同學(xué)在高軍濤副研究員指導(dǎo)下作為第二作者完成了ChIP-Seq實驗數(shù)據(jù)分析工作。同時，該研究工作得到了醫(yī)學(xué)院王大亮副教授，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)平臺給予大力協(xié)助。

原文鏈接：https://www.jbc.org/content/295/49/16877.full（掃描下方二維碼直達）

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