2月27日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊 Nucleic Acids Research 在線(xiàn)發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所）王露研究組與吳薇研究組的最新合作研究成果：“A de novo H3.2K9me2 deposition pathway establishes heterochromatin for suppressing transposon mobilization during fly somatic development”。該研究以果蠅直腸發(fā)育為模型，系統(tǒng)揭示了DNA復(fù)制偶聯(lián)的H3.2K9me2分子伴侶通路在體細(xì)胞發(fā)育過(guò)程中建立功能性異染色質(zhì)、抑制轉(zhuǎn)座子活化及轉(zhuǎn)座的關(guān)鍵作用。
轉(zhuǎn)座子廣泛存在于真核生物基因組中，其異常激活和轉(zhuǎn)座可引發(fā)基因組不穩(wěn)定，甚至導(dǎo)致發(fā)育異常、衰老相關(guān)改變及遺傳疾病。因此，細(xì)胞需要依賴(lài)DNA甲基化和組蛋白翻譯后修飾等表觀(guān)遺傳機(jī)制對(duì)轉(zhuǎn)座子實(shí)施嚴(yán)格抑制。既往研究表明，組蛋白H3不同變體及其伴侶蛋白在染色質(zhì)組裝和異染色質(zhì)維持中發(fā)揮重要作用。其中，DNA復(fù)制偶聯(lián)（DNA synthesis-coupled，DSC）途徑主要負(fù)責(zé)經(jīng)典H3.2的裝配，而DNA復(fù)制非依賴(lài)（DNA synthesis-independent，DSI）途徑則主要介導(dǎo)H3.3的裝配。然而，在體細(xì)胞發(fā)育過(guò)程中，究竟哪一條通路在轉(zhuǎn)座子抑制中發(fā)揮主導(dǎo)作用，以及不同H3變體修飾如何協(xié)同建立異染色質(zhì)，仍有待深入闡明。
本研究中，研究人員利用果蠅直腸這一可監(jiān)測(cè)體細(xì)胞轉(zhuǎn)座事件的模型體系，結(jié)合單細(xì)胞水平分辨率的轉(zhuǎn)座報(bào)告系統(tǒng)，對(duì)DSC與DSI兩類(lèi)組蛋白H3分子伴侶通路在發(fā)育過(guò)程中的作用進(jìn)行了系統(tǒng)比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，敲低DSC通路中的關(guān)鍵伴侶蛋白可顯著增強(qiáng)逆轉(zhuǎn)座子激活和轉(zhuǎn)座；相比之下，干擾DSI-H3.3伴侶通路僅產(chǎn)生較為有限的影響。進(jìn)一步研究表明，在果蠅直腸發(fā)育和再生過(guò)程中，DSC通路在轉(zhuǎn)座子沉默中發(fā)揮主導(dǎo)作用。
進(jìn)一步研究表明，不同的組蛋白變體及其翻譯后修飾在染色質(zhì)上的定位存在明顯偏好性，其中H3.2及其所攜帶的K9me2修飾在異染色質(zhì)區(qū)域顯著富集，而H3.3則主要分布在常染色質(zhì)位點(diǎn)。機(jī)制研究顯示，DSC伴侶蛋白能夠在DNA復(fù)制時(shí)優(yōu)先將組蛋白變體H3.2遞送至異染色質(zhì)區(qū)域，并特異性促進(jìn)H3.2第9位賴(lài)氨酸二甲基化（H3.2K9me2）的建立。研究發(fā)現(xiàn)，CAF-1復(fù)合體亞基Caf1-180可直接與組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶G9a相互作用，并將其募集至異染色質(zhì)區(qū)域，從而催化H3.2K9me2的形成。與之相對(duì)，另一條DSI通路則主要介導(dǎo)H3.3K9me3的形成。該結(jié)果表明，不同H3變體及其修飾并非簡(jiǎn)單冗余，而是通過(guò)各自分工共同參與異染色質(zhì)的組織與建立。
值得注意的是，研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，當(dāng)DSC-H3.2K9me2通路受損時(shí)，DSI途徑可在一定程度上增加H3.3K9me3在轉(zhuǎn)座子位點(diǎn)的建立，表現(xiàn)出一定的補(bǔ)償效應(yīng)。然而，這種補(bǔ)償并不足以重建發(fā)育過(guò)程中所需的功能性異染色質(zhì)，轉(zhuǎn)座子仍會(huì)發(fā)生顯著激活。這提示，H3.2K9me2與H3.3K9me3之間雖然存在動(dòng)態(tài)平衡與交叉調(diào)控，但二者在生理功能上具有不可替代的特異性，其中H3.2K9me2在建立即時(shí)有效的轉(zhuǎn)座子沉默狀態(tài)中尤為關(guān)鍵。
綜上，該研究揭示了體細(xì)胞發(fā)育過(guò)程中一條全新的de novo H3.2K9me2分子伴侶通路，闡明了DNA復(fù)制偶聯(lián)的組蛋白裝配機(jī)制如何通過(guò)募集G9a建立異染色質(zhì)并抑制轉(zhuǎn)座子轉(zhuǎn)座。該工作不僅加深了對(duì)組蛋白變體修飾與異染色質(zhì)建立機(jī)制的理解，也為認(rèn)識(shí)細(xì)胞如何在發(fā)育過(guò)程中維持基因組穩(wěn)定性提供了新的理論框架。
分子細(xì)胞卓越中心王露研究員和吳薇研究員為論文共同通訊作者。王露研究組博士研究生羅依妮、鄧雅姿和吳薇研究組博士研究生梁羽為共同第一作者。該課題獲得了中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院國(guó)際伙伴計(jì)劃、上海市科技重大項(xiàng)目及上海市啟明星計(jì)劃等項(xiàng)目資助，并獲得了清華大學(xué)果蠅中心倪建泉博士、分子細(xì)胞卓越中心果蠅資源與技術(shù)平臺(tái)、中南大學(xué)袁凱老師、哈佛醫(yī)學(xué)院Norbert Perrimon博士、奧地利維也納生物中心Julius Brennecke教授以及VDRC 和BDSC等幫助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1093/nar/gkag146
果蠅體細(xì)胞發(fā)育中H3.2K9me2與H3.3K9me3協(xié)同維持轉(zhuǎn)座子沉默的工作模型
