李海涛课题组发现Spindlin1识别组蛋白H3“K4me3-K9me3/2”二价修饰调控异染...
李海涛课题组发现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
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，生命中心PI、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。
李海涛为通讯作者，CLS研究生项目赵帆博士为本论文第一作者，苏晓楠博士和宋雨桐同学对本工作有重要贡献。清华大学张奇伟教授课题组刘雨楠同学在高军涛副研究员指导下作为第二作者完成了ChIP-Seq实验数据分析工作。该研究工作也得到了清华大学医学院王大亮副教授，NIH糖尿病研究所戈凯教授和Ji-Eun Lee博士的指导与支持。同时，该课题也得到了上海同步辐射光源和清华大学X-ray晶体学平台的大力协助。
Spindlin1识别组蛋白二价修饰介导基因表达“暂停”状态
原文链接：https://www.jbc.org/content/295/49/16877.full（扫描下方二维码直达研究成果简介）
1. Bernstein, B. E., Mikkelsen, T. S., Xie, X., Kamal, M., Huebert, D. J., Cuff, J., Fry, B., Meissner, A., Wernig, M., Plath, K., Jaenisch, R., Wagschal, A., Feil, R., Schreiber, S. L., and Lander, E. S. (2006) A bivalent chromatin structure marks key developmental genes in embryonic stem cells. Cell 125, 315-326
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
3. Wang, C., Liu, X., Gao, Y., Yang, L., Li, C., Liu, W., Chen, C., Kou, X., Zhao, Y., Chen, J., Wang, Y., Le, R., Wang, H., Duan, T., Zhang, Y., and Gao, S. (2018) Reprogrammi
