Spindlin1 识别组蛋白 H3“K4me3-K9me3/2” 二价修饰调控异染色质区基因表达

来源: 生物360 / 作者: 2020-12-14
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  在基因的表观遗传调控中,不同位点不同类型的组蛋白修饰通常代表了不同的基因调控事件。比如,组蛋白修饰 H3K4me3 常与基因的活跃转录相关,而组蛋白修饰 H3K9me3 和 H3K27me3 则常与基因沉默相关。虽然两类组蛋白修饰的基因组分布很不相同,但在特定基因表达状态切换的特殊时期两种修饰存在基因组上的共定位。

  H3K4me3 和 H3K27me3 在胚胎干细胞的基因组中存在共定位,这些二价修饰的基因组区域使发育关键基因处于蓄势待发的 “暂停” 状态,以便快速响应外界的分化信号 (1)。另有文献报道,组蛋白修饰 H3K4me3 和 H3K9me3 在滋养层干细胞(trophoblast stem cell,TSC)和胚外内胚层干细胞(extraembryonic endoderm stem cell,XEN)的基因组上存在共定位并介导发育关键基因表达 “暂停” 状态 (2),尽管二价修饰所介导的基因调控事件非常重要,但这一过程中的下游效应因子还很不清楚。

  2020 年 12 月 4 日,清华大学医学院教授李海涛课题组针对此问题在 Journal of Biological Chemistry 杂志发表了最新研究成果:“Molecular basis for histone H3 “K4me3-K9me3/2” methylation pattern readout by Spindlin1”。这项工作发现 Spindlin1 可以以超强亲和力识别组蛋白二价修饰 H3“K4me3-K9me3/2”, 复合物晶体结构表明,组蛋白修饰 H3K4me3 和 H3K9me3/2 可以同时被 Spindlin1 第二个和第一个 Tudor 结构域芳香笼识别。该识别事件使下游基因表达处于一个 “暂停” 状态,以便使基因快速激活或沉默,这一过程可能在胚胎发育早期细胞命运决定的关键基因以及对外界营养状态敏感的 rDNA 基因的表达调控中发挥重要作用。

  研究人员首先利用等温量热滴定技术体外测得 Spindlin1 对于 H3“K4me3-K9me3” 多肽的亲和力为 16 纳摩尔,是目前已知的 Spindlin1 对各种组蛋白甲基化多肽的亲和力中最强的一个。Spindlin1-H3“K4me3-K9me3/2” 复合物结构表明,H3K4me3 和 H3K9me3/2 分别被 Spindlin1 的第二个和第一个 Tudor 结构域识别。进一步的突变体实验表明,第二个 Tudor 结构域对 H3K4me3 的识别主导了该结合事件,第一个 Tudor 结构域对 H3K9me3/2 的识别进一步增强了 Spindlin1 与组蛋白之间的相互作用。

  体外结合实验表明,其它 H3K4me3 的 “阅读器” 对于 H3K4me3 的解离常数在微摩尔水平,且 H3K9me3 的存在会进一步减弱其亲和力,相比之下,H3K9me3 不仅不会减弱反而增强 Spindlin1 对组蛋白 H3 的亲和力。ChIP-Seq 实验表明 Spindlin1 与 H3“K4me3-K9me3” 修饰存在两种共定位模式:一种是 Spindlin1 在 H3K9me3 泛富集分布区与 H3K4me3 峰共定位存在;另一种是 Spindlin1 与二价修饰共同形成 “尖而窄” 的峰,集中分布于基因的启动子区域。这提示 Spindlin1 是一个 H3K9me3 富集区染色质(常常是异染色质区或基因沉默区)的 H3K4me3“阅读器”。值得一提的是,在 HEK293 细胞中,Spindlin1 和 “H3K4me3-H3K9me3” 二价修饰共存区仅占 H3K9me3 或 H3K4me3 富集区的 2% 左右,调控了约 300 多个基因表达。在分子功能上,这些共定位基因显著富集(>40%)于转录和基因调控过程,包括锌指蛋白、表观遗传酶、生长因子、非编码 RNA 以及 rDNA 相关基因等。

  在胚胎早期发育细胞命运决定时期,H3K9me3 介导的异染色质是细胞实现基因组重编程的主要 “能垒”(3),研究人员认为,基因组重编程过程中,H3K9me3/2 广泛存在的异染色质区域可以被 H3K4 甲基转移酶加上 H3K4me3 修饰 (4),此时,组蛋白二价修饰 H3“K4me3-K9me3/2” 可以有效招募 Spindlin1,进而使下游基因表达处于 “暂停” 状态,以便快速响应外界细胞分化或代谢信号。

  综上所述,该工作首次鉴定到 Spindlin1 是异染色质区域的 H3K4me3 的 “阅读器”,识别组蛋白双修饰 H3“K4me3-K9me3/2”。这一识别事件可能在胚胎发育早期细胞分化的关键基因和细胞核仁中 rDNA 基因的表达调控过程中发挥重要作用。

  此外,2014 年李海涛课题组与清华大学吴畏课题组合作曾在 Genes Dev 杂志发文首次报导 Spindlin1 是一类组蛋白 H3“K4me3-R8me2a”(Rme2a,精氨酸非对称二甲基化)甲基化组合修饰的强效 “阅读器”(亲和力为 45 纳摩尔),激活 Wnt 信号通路靶基因表达 (5)。结构分析表明,H3R8me2a 修饰与 H3K9me3 类似被同一个“阅读器” 口袋识别(具体模式略有差别),进而强化了 Spindlin1 对 H3K4me3 的识别。上述系列研究提示,Spindlin1 可以作为一个 “超级” 阅读器,响应不同的上游甲基化“书写器”(writer)通路,识别不同基因组区段的 H3K4me3 修饰或修饰组合景观,从表观遗传层面调控重要基因的表达。

原文标题:

Molecular basis for histone H3 “K4me3-K9me3/2” methylation pattern readout by Spindlin1

https://www.jbc.org/content/295/49/16877.full

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