朱冰研究組揭示脊椎動物中旁著絲粒異染色質的從頭建立機制

2024年7月4日，中國科學院生物物理研究所朱冰研究組在《Nature》雜志上發表題為"Targeting pericentric non-consecutive motifs for heterochromatin initiation"的研究性論文，該論文揭示了脊椎動物中旁著絲粒異染色質的從頭建立機制。

　　異染色質的概念最早于1928年被提出，并在1930年與第一個經典的表觀遺傳現象--位置效應花斑現象建立起了功能上的聯系。盡管被組蛋白H3K9me3修飾的異染色質在真核生物中廣泛存在，但是對旁著絲粒異染色質的研究卻是一個漫長的過程。在2000年，SUV39H被鑒定為組蛋白H3K9特異性甲基轉移酶，這一發現被認為是異染色質領域的里程碑。在2001年，組蛋白H3K9甲基化被證明是HP1蛋白的特異性結合位點。

　　從裂殖酵母到哺乳動物，雖然旁著絲粒異染色質區域的DNA序列的同源性很低，但是組蛋白H3K9甲基化修飾始終是旁著絲粒異染色質的主要標志。組蛋白H3K9甲基化修飾的異染色質在裂殖酵母（Schizosaccharomyces pombe）中得到了非常詳盡的研究，RNAi機制將Clr4（裂殖酵母中SUV39H的同源物）招募到著絲粒重復區域，此外，位點特異性的DNA結合蛋白Atf1和Pcr1將Clr4招募到交配型轉換位點。然而，在脊椎動物中，旁著絲粒異染色質的從頭建立機制至今仍不為我們所知。

　　也許由于存在功能冗余的基因，負責旁著絲粒異染色質從頭建立的因子在先前基于遺傳篩選所進行的研究中被忽略了。為了鑒定到這些被忽略的蛋白因子，基于具有特異性靶向能力的CRISPR/Cas9系統以及具有鄰近標記能力的APEX2系統，朱冰實驗室首先開發了一種能夠鑒定特定基因組位點附近蛋白質組的技術。這一技術使他們能夠在小鼠胚胎干細胞中鑒定到旁著絲粒異染色質附近的蛋白質組。隨后的研究發現鋅指蛋白ZNF512和ZNF512B通過與旁著絲粒異染色質DNA的特異性結合而定位于旁著絲粒異染色質區域。并且，無論是在外源性導入的重復區域還是在旁著絲粒異染色質區域，鋅指蛋白ZNF512和ZNF512B都可以通過與SUV39H1和SUV39H2的直接相互作用而將它們招募到特定位點，進而產生組蛋白H3K9me3所介導的異染色質。

　　在脊椎動物間，為什么看似不保守的旁著絲粒異染色質序列上都可以形成相同的組蛋白H3K9me3介導的異染色質？研究人員發現，不同物種的ZNF512和ZNF512B可以特異性地靶向到其他脊椎動物的旁著絲粒異染色質區域。這種能力歸因于鋅指蛋白ZNF512和ZNF512B相同的鋅指指紋以及保守的鋅指之間的較長linker，相同的鋅指指紋提供了識別重復DNA的能力，較長的linker提供了識別非連續DNA序列的靈活性。

　　盡管SUV39H1和SUV39H2被認為具有冗余的活性，研究人員發現這兩個酶之間存在略微不同的生物化學特性。SUV39H2因其對組蛋白H3尾巴表現出更高的偏好性，從而表現出更高效的酶學活性；而SUV39H1由于其對HP1蛋白具有較高的親和力，從而表現出較強的基因沉默能力。

　　在小鼠胚胎干細胞中，鋅指蛋白ZNF512除了可以定位在富含TTC/GAA序列的旁著絲粒異染色質區域外，同樣可以定位在富含TTC/GAA序列的年輕的L1Md-T和L1Md-A的5'UTR上。基于ZNF512 ChIP-seq和H3K9me3 ChIP-seq的生物信息學分析表明，具有較多TTC/GAA的LINE上結合有更多的ZNF512蛋白，具有更高的組蛋白H3K9me3修飾；并且在鋅指蛋白ZNF512和ZNF512B雙敲細胞系中，這些LINE上的組蛋白H3K9me3發生更為明顯的降低。

　　總之，該研究解決了兩個長期存在于異染色質領域的問題：組成型旁著絲粒異染色質的從頭建立機制，以及為什么在脊椎動物中看似不保守的旁著絲粒異染色質序列卻具有相同的組蛋白H3K9me3修飾。另外，對具有分裂鋅指的鋅指蛋白能夠識別非連續DNA序列的發現揭示了一種全新的DNA識別模式，因而對研究蛋白與DNA間的識別模式具有重要意義。這一發現可能會引出更多具有此類性質的蛋白，并啟發生物信息學家開發新的算法來計算DNA結合基序。

圖：組成型異染色質的研究歷史。示意圖由馬潤澤繪制。

　　該論文的實驗部分主要由馬潤澤博士完成，生物信息分析部分主要由張彥博士完成，馬潤澤和張彥為該論文的共同第一作者，張晶博士、張品奇博士、劉澤奇、樊一鳴在實驗方面提供了重要幫助，王昊天博士和張珠強博士在生物信息分析部分做出了重要貢獻。中國科學院生物物理研究所朱冰研究員為該論文的通訊作者。感謝生物物理研究所/武漢大學的李國紅研究員、北京生命科學研究所的杜立林研究員在實驗過程中提供的寶貴建議，感謝索芳、張啟祥、張浩楠、賈俊英、孟姝、王繼峰、張朦朦的幫助。該研究得到國家自然科學基金委員會、國家重點研發計劃、中國科學院、新基石科學實驗室和中國科學院青年創新促進會的資助。

　　文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07640-5