在基因的表觀遺傳調控中，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控事件。組蛋白修飾H3K4me3常與基因的活躍轉錄相關，而組蛋白修飾H3K9me3和H3K27me3則與基因沉默相關，雖然兩種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)育關鍵基因處于蓄勢待發(fā)的“暫停”狀態(tài)，以便快速響應外界的分化信號(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）和胚外內胚層干細胞（extraembryonic endoderm stem cell，XEN）的基因組上存在共定位并介導發(fā)育關鍵基因表達“暫?！睜顟B(tài)(2)，盡管二價修飾所介導的基因調控事件非常重要，但這一過程中的下游效應因子還很不清楚。

李海濤組發(fā)現(xiàn)Spindlin1識別組蛋白H3“K4me3-K9me3/2”二價修飾調控異染色質區(qū)基因表達-肽度TIMEDOO

近日，清華大學結構生物學高精尖創(chuàng)新中心李海濤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”,復合物晶體結構表明，組蛋白修飾H3K4me3和H3K9me3/2可以同時被Spindlin1第二個和第一個Tudor結構域芳香籠識別。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鍵基因以及對外界營養(yǎng)狀態(tài)敏感的rDNA基因的表達調控中發(fā)揮重要作用。

研究人員首先利用ITC技術體外測得Spindlin1對于H3“K4me3-K9me3”多肽的親和力為16nM，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”復合物結構表明，H3K4me3和H3K9me3/2分別被Spindlin1的第二個和第一個Tudor結構域識別。進一步的突變體實驗表明，第二個Tudor結構域對H3K4me3的識別主導了該結合事件，第一個Tudor結構域對H3K9me3/2的識別進一步增強了Spindlin1與組蛋白之間的相互作用。

體外結合實驗表明，其它H3K4me3的“閱讀器”對于H3K4me3的解離常數(shù)在微摩水平，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，Spindlin1?與二價修飾集中分布于基因的啟動子區(qū)域，另一方面，Spindlin1可以識別H3K9me3廣泛存在的基因組區(qū)域中的H3K4me3，表明Spindlin1是一個異染色質的H3K4me3的“閱讀器”。值得一提的是，超過40%的共定位基因參與了基因轉錄調控過程，這些基因包括鋅指蛋白，表觀遺傳酶和效應因子等，另外其它共定位基因包括非編碼RNA和rDNA基因等。

李海濤組發(fā)現(xiàn)Spindlin1識別組蛋白H3“K4me3-K9me3/2”二價修飾調控異染色質區(qū)基因表達-肽度TIMEDOO

Spindlin1識別組蛋白二價修飾介導基因表達“暫?！睜顟B(tài)

在胚胎早期發(fā)育細胞命運決定時期，H3K9me3介導的異染色質是細胞實現(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區(qū)域可以被H3K4甲基轉移酶加上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鍵基因和細胞核仁中rDNA基因的表達調控過程中發(fā)揮重要作用。

據悉，本研究在清華大學醫(yī)學院完成。李海濤教授為通訊作者，趙帆博士為第一作者。清華大學張奇?zhèn)?/strong>課題組的劉雨楠同學完成了ChIP-Seq實驗數(shù)據分析工作。其中，蘇曉楠博士，宋雨桐同學對本工作有重要貢獻。該研究工作得到了清華大學高軍濤教授，NIH糖尿病研究所戈凱教授和Ji–Eun?Lee博士的大力支持。同時，該課題也得到了上海同步輻射光源和清華大學X-ray晶體學平臺的大力協(xié)助。

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2. Rugg-Gunn, P. J., Cox, B. J., Ralston, A., and Rossant, J. (2010) Distinct histone modifications in stem cell lines and tissue lineages from the early mouse embryo. Proc Natl Acad Sci U S A 107, 10783-10790

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原文鏈接
https://www.jbc.org/content/295/49/16877.full
來源：結構生物學高精尖創(chuàng)新中心