朱冰研究组揭示脊椎动物中旁着丝粒异染色质的从头建立机制

2024年7月4日，中国科学院生物物理研究所朱冰研究组在《Nature》杂志上发表题为"Targeting pericentric non-consecutive motifs for heterochromatin initiation"的研究性论文，该论文揭示了脊椎动物中旁着丝粒异染色质的从头建立机制。

　　异染色质的概念最早于1928年被提出，并在1930年与第一个经典的表观遗传现象--位置效应花斑现象建立起了功能上的联系。尽管被组蛋白H3K9me3修饰的异染色质在真核生物中广泛存在，但是对旁着丝粒异染色质的研究却是一个漫长的过程。在2000年，SUV39H被鉴定为组蛋白H3K9特异性甲基转移酶，这一发现被认为是异染色质领域的里程碑。在2001年，组蛋白H3K9甲基化被证明是HP1蛋白的特异性结合位点。

　　从裂殖酵母到哺乳动物，虽然旁着丝粒异染色质区域的DNA序列的同源性很低，但是组蛋白H3K9甲基化修饰始终是旁着丝粒异染色质的主要标志。组蛋白H3K9甲基化修饰的异染色质在裂殖酵母（Schizosaccharomyces pombe）中得到了非常详尽的研究，RNAi机制将Clr4（裂殖酵母中SUV39H的同源物）招募到着丝粒重复区域，此外，位点特异性的DNA结合蛋白Atf1和Pcr1将Clr4招募到交配型转换位点。然而，在脊椎动物中，旁着丝粒异染色质的从头建立机制至今仍不为我们所知。

　　也许由于存在功能冗余的基因，负责旁着丝粒异染色质从头建立的因子在先前基于遗传筛选所进行的研究中被忽略了。为了鉴定到这些被忽略的蛋白因子，基于具有特异性靶向能力的CRISPR/Cas9系统以及具有邻近标记能力的APEX2系统，朱冰实验室首先开发了一种能够鉴定特定基因组位点附近蛋白质组的技术。这一技术使他们能够在小鼠胚胎干细胞中鉴定到旁着丝粒异染色质附近的蛋白质组。随后的研究发现锌指蛋白ZNF512和ZNF512B通过与旁着丝粒异染色质DNA的特异性结合而定位于旁着丝粒异染色质区域。并且，无论是在外源性导入的重复区域还是在旁着丝粒异染色质区域，锌指蛋白ZNF512和ZNF512B都可以通过与SUV39H1和SUV39H2的直接相互作用而将它们招募到特定位点，进而产生组蛋白H3K9me3所介导的异染色质。

　　在脊椎动物间，为什么看似不保守的旁着丝粒异染色质序列上都可以形成相同的组蛋白H3K9me3介导的异染色质？研究人员发现，不同物种的ZNF512和ZNF512B可以特异性地靶向到其他脊椎动物的旁着丝粒异染色质区域。这种能力归因于锌指蛋白ZNF512和ZNF512B相同的锌指指纹以及保守的锌指之间的较长linker，相同的锌指指纹提供了识别重复DNA的能力，较长的linker提供了识别非连续DNA序列的灵活性。

　　尽管SUV39H1和SUV39H2被认为具有冗余的活性，研究人员发现这两个酶之间存在略微不同的生物化学特性。SUV39H2因其对组蛋白H3尾巴表现出更高的偏好性，从而表现出更高效的酶学活性；而SUV39H1由于其对HP1蛋白具有较高的亲和力，从而表现出较强的基因沉默能力。

　　在小鼠胚胎干细胞中，锌指蛋白ZNF512除了可以定位在富含TTC/GAA序列的旁着丝粒异染色质区域外，同样可以定位在富含TTC/GAA序列的年轻的L1Md-T和L1Md-A的5'UTR上。基于ZNF512 ChIP-seq和H3K9me3 ChIP-seq的生物信息学分析表明，具有较多TTC/GAA的LINE上结合有更多的ZNF512蛋白，具有更高的组蛋白H3K9me3修饰；并且在锌指蛋白ZNF512和ZNF512B双敲细胞系中，这些LINE上的组蛋白H3K9me3发生更为明显的降低。

　　总之，该研究解决了两个长期存在于异染色质领域的问题：组成型旁着丝粒异染色质的从头建立机制，以及为什么在脊椎动物中看似不保守的旁着丝粒异染色质序列却具有相同的组蛋白H3K9me3修饰。另外，对具有分裂锌指的锌指蛋白能够识别非连续DNA序列的发现揭示了一种全新的DNA识别模式，因而对研究蛋白与DNA间的识别模式具有重要意义。这一发现可能会引出更多具有此类性质的蛋白，并启发生物信息学家开发新的算法来计算DNA结合基序。

图：组成型异染色质的研究历史。示意图由马润泽绘制。

　　该论文的实验部分主要由马润泽博士完成，生物信息分析部分主要由张彦博士完成，马润泽和张彦为该论文的共同第一作者，张晶博士、张品奇博士、刘泽奇、樊一鸣在实验方面提供了重要帮助，王昊天博士和张珠强博士在生物信息分析部分做出了重要贡献。中国科学院生物物理研究所朱冰研究员为该论文的通讯作者。感谢生物物理研究所/武汉大学的李国红研究员、北京生命科学研究所的杜立林研究员在实验过程中提供的宝贵建议，感谢索芳、张启祥、张浩楠、贾俊英、孟姝、王继峰、张朦朦的帮助。该研究得到国家自然科学基金委员会、国家重点研发计划、中国科学院、新基石科学实验室和中国科学院青年创新促进会的资助。

　　文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07640-5