表觀遺傳信息的繼承（Epigenetic inheritance）是細(xì)胞增殖和分化的核心基礎(chǔ)，理解這一過程對(duì)我們認(rèn)識(shí)正常發(fā)育和衰老等生理過程和解析發(fā)育異常、腫瘤和早衰等病理過程都至關(guān)重要。作為真核生物特有的遺傳機(jī)制，在遺傳物質(zhì)DNA序列不變的前提下，表觀遺傳信息的繼承，是細(xì)胞身份記憶的核心基礎(chǔ)，而表觀遺傳信息繼承的彈性，也為重塑細(xì)胞身份提供獨(dú)特的窗口。染色質(zhì)是編碼表觀遺傳信息的主要載體，其基本結(jié)構(gòu)單元是核小體，由一段147bp DNA纏繞組蛋白八聚體構(gòu)成。組蛋白攜帶不同的翻譯后修飾，蘊(yùn)藏豐富的表觀遺傳信息，和其它因子一起形成染色質(zhì)景觀，決定了基因組的表達(dá)譜，形成細(xì)胞的身份。彈性的表觀遺傳信息繼承是染色質(zhì)景觀維持和重塑的基礎(chǔ)，其核心步驟是DNA復(fù)制偶聯(lián)的染色質(zhì)重建，最重要的一環(huán)是DNA復(fù)制叉上親本組蛋白的回收和再分配。

北京大學(xué)李晴研究組圍繞DNA復(fù)制偶聯(lián)的核小體組裝，聚焦在親本組蛋白在復(fù)制叉上的回收和分配機(jī)制。2023年在《核酸研究》雜志上發(fā)表“The N-terminus of Spt16 anchors FACT to MCM2-7 for parental histone recycling”研究論文，揭示組蛋白分子伴侶FACT直接參與復(fù)制叉位點(diǎn)親本組蛋白的原位回收，并且同時(shí)貢獻(xiàn)于兩條子鏈；通過和復(fù)制體元件相互作用，組成“組蛋白分子伴侶-組蛋白-復(fù)制體元件”通用模塊，調(diào)節(jié)親本組蛋白流向。2024年，和合作者（翟元梁/高寧/戴碧瓘團(tuán)隊(duì)）在《自然》雜志發(fā)表“Parental histone transfer caught at the replication fork”研究論文，捕獲首個(gè)內(nèi)源復(fù)制叉上親代組蛋白遞送的起始態(tài)，發(fā)現(xiàn)組蛋白分子伴侶FACT和復(fù)制體保護(hù)復(fù)合物（Tof1-Csm3）以及解旋酶亞基Mcm2一起捕獲親本組蛋白六聚體【(H3-H4)2-(H2A-H2B)】往滯后鏈遞送的機(jī)制。這些工作較為全面的理解復(fù)制體元件調(diào)節(jié)親本組蛋白回收和遞送途徑，然而，親本組蛋白在兩條子鏈的分配機(jī)制仍不明了。

論文截圖

2024年8月1日，李晴研究組和哈佛醫(yī)學(xué)院、霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究院（HHMI）Danesh Moazed研究組合作在《細(xì)胞》雜志發(fā)表了題為“A replisome-associated histone H3-H4 tetramer chaperone required for epigenetic inheritance”的研究論文。在本研究中，作者通過遺傳篩選、生化、分子生物學(xué)和生物物理學(xué)等方法，結(jié)合AlphaFold-Multimer結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)等手段發(fā)現(xiàn)DNA復(fù)制體（replisome）中復(fù)制叉保護(hù)復(fù)合物亞基Mrc1/CLASPIN（另外兩個(gè)亞基是Tof1和Csm3）存在一段在真核生物中保守的組蛋白H3-H4四聚體結(jié)合區(qū)域。

本研究首先通過異染色質(zhì)沉默報(bào)告體系確認(rèn)了裂殖酵母中Mrc1與FACT在異染色質(zhì)沉默中的關(guān)鍵作用，隨后通過IP-MS手段確認(rèn)了Mrc1的C端負(fù)責(zé)其與FACT以及其他復(fù)制體元件的相互作用。AlphaFold-Multimer結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)表明，Mrc1具有一段保守的Mrc1-like domain（Mrc1-MLD），很可能與組蛋白H3.1-H4四聚體存在互作（圖1）。其中的α1-3三個(gè)螺旋較為對(duì)稱地箍住H3.1-H4四聚體：α1與α3各結(jié)合一個(gè)H3-H4二聚體，而α2同時(shí)結(jié)合兩個(gè)H4。綜合已有的核小體核心顆粒的晶體結(jié)構(gòu)，Mrc1-MLD很可能通過模擬核小體的特性從而部分取代核小體DNA及H2A-H2B二聚體進(jìn)而結(jié)合H3-H4四聚體。體外pull-down實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明，Mrc1-MLD能夠特異地結(jié)合組蛋白H3-H4，這一點(diǎn)在釀酒酵母Mrc1以及人源CLASPIN也都得到證實(shí)。裂殖酵母和芽殖酵母中的實(shí)驗(yàn)也都證明Mrc1-MLD參與維持異染色質(zhì)沉默。

圖1 AlphaFold-Multimer預(yù)測(cè)一段演化保守的Mrc1/CLASPIN區(qū)域結(jié)合組蛋白H3-H4四聚體

作者之后通過eSPAN（enrichment and sequencing of protein-associated nascent DNA）方法分析Mrc1與H3-H4的相互作用在親本組蛋白回收和遞送中的作用。作者首先在芽殖酵母中發(fā)現(xiàn)，Mrc1全敲除或大片段敲除MLD區(qū)段會(huì)導(dǎo)致親本組蛋白往前導(dǎo)鏈遞送缺陷。進(jìn)一步在芽殖酵母和裂殖酵母中進(jìn)行小片段篩選和定點(diǎn)突變分析，發(fā)現(xiàn)Mrc1結(jié)合組蛋白區(qū)域同時(shí)影響前導(dǎo)鏈和滯后鏈的親本組蛋白遞送。據(jù)此，作者得出結(jié)論：Mrc1是一個(gè)在DNA復(fù)制體上的組蛋白分選組分（圖2）。

圖2 eSPAN分析Mrc1-MLD調(diào)節(jié)親本組蛋白回收

綜上所述，本工作發(fā)現(xiàn)Mrc1/CLASPIN能夠結(jié)合H3-H4四聚體，這對(duì)復(fù)制偶聯(lián)的親本組蛋白回收十分重要。Mrc1與FACT以及其他復(fù)制體元件共同調(diào)節(jié)親本組蛋白在兩條子鏈上的分配（圖3）。本工作在已有研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步豐富了復(fù)制叉處親本組蛋白的回收機(jī)制，加深了對(duì)于復(fù)制偶聯(lián)的表觀信息遺傳的理解。長(zhǎng)期以來領(lǐng)域內(nèi)對(duì)于親本組蛋白回收過程的認(rèn)識(shí)都較為碎片化，而近期的李晴實(shí)驗(yàn)室的幾篇工作（Nucleic Acids Research，2023；Nature，2024；Cell，2024）給出了復(fù)制叉上的關(guān)鍵蛋白在親本組蛋白回收中的作用機(jī)制，拓展了對(duì)復(fù)制叉保護(hù)復(fù)合物（Mrc1-Tof1-Csm3）功能的認(rèn)識(shí)。Mrc1能夠結(jié)合組蛋白H3-H4，從而直接參與親本組蛋白的回收和分配；Tof1則依托其在復(fù)制叉前端的位置以及與FACT、Mcm2和Mrc1的相互作用，調(diào)控親本組蛋白的流向。綜合領(lǐng)域內(nèi)前期研究，Mcm2與Pol1的組蛋白結(jié)合區(qū)域傾向于將親本組蛋白遺傳到滯后鏈，而Dpb3-Dpb4傾向于將組蛋白遺傳到先導(dǎo)鏈。至此，親本組蛋白的解離、遞送和重組裝過程得到了較為充分的闡釋，復(fù)制體元件對(duì)親本組蛋白回收框架的支撐得到了較為全面的理解。

圖3 DNA復(fù)制叉上的親本組蛋白遞送模型圖

哈佛大學(xué)博士生俞鈞陶、北京大學(xué)博士生張煜婕為該論文并列第一作者，哈佛醫(yī)學(xué)院、霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究院（HHMI）教授Danesh Moazed和李晴為共同通訊作者，哥倫比亞大學(xué)賈松濤（Songtao Jia）研究組，哥倫比亞大學(xué)醫(yī)學(xué)院張志國（Zhiguo Zhang）研究組以及哈佛醫(yī)學(xué)院Steven Gygi研究組也參與了本研究。李晴研究組感謝國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、北京市教育委員會(huì)、北京大學(xué)-清華大學(xué)生命科學(xué)聯(lián)合中心和蛋白質(zhì)與植物基因研究國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助。

來源：北京大學(xué)