在基因的表觀遺傳調(diào)控中，不同位點(diǎn)不同類型的組蛋白修飾通常代表了不同的基因調(diào)控事件。組蛋白修飾H3K4me3常與基因的活躍轉(zhuǎn)錄相關(guān)，而組蛋白修飾H3K9me3和H3K27me3則與基因沉默相關(guān)，雖然兩種組蛋白修飾的基因組分布很不相同，但在特定基因表達(dá)狀態(tài)切換的特殊時(shí)期兩種修飾存在基因組上的共定位。

H3K4me3和H3K27me3在胚胎干細(xì)胞的基因組中存在共定位，這些二價(jià)修飾的基因組區(qū)域使發(fā)育關(guān)鍵基因處于蓄勢(shì)待發(fā)的“暫?！睜顟B(tài)，以便快速響應(yīng)外界的分化信號(hào)(1)。另有文獻(xiàn)報(bào)道，組蛋白修飾H3K4me3和H3K9me3在滋養(yǎng)層干細(xì)胞（trophoblast stem cell，TSC）和胚外內(nèi)胚層干細(xì)胞（extraembryonic endoderm stem cell，XEN）的基因組上存在共定位并介導(dǎo)發(fā)育關(guān)鍵基因表達(dá)“暫?！睜顟B(tài)(2)，盡管二價(jià)修飾所介導(dǎo)的基因調(diào)控事件非常重要，但這一過(guò)程中的下游效應(yīng)因子還很不清楚。

近日，清華大學(xué)結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心李海濤課題組針對(duì)此問(wèn)題在Journal of Biological Chemistry雜志發(fā)表了最新研究成果：“Molecular basis for histone H3 “K4me3-K9me3/2” methylation pattern readout by Spindlin1”。這項(xiàng)工作發(fā)現(xiàn)Spindlin1可以以超強(qiáng)親和力識(shí)別組蛋白二價(jià)修飾H3“K4me3-K9me3/2”,復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)表明，組蛋白修飾H3K4me3和H3K9me3/2可以同時(shí)被Spindlin1第二個(gè)和第一個(gè)Tudor結(jié)構(gòu)域芳香籠識(shí)別。該識(shí)別事件使下游基因表達(dá)處于一個(gè)“暫?！睜顟B(tài)，以便使基因快速激活或沉默，這一過(guò)程可能在胚胎發(fā)育早期細(xì)胞命運(yùn)決定的關(guān)鍵基因以及對(duì)外界營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)敏感的rDNA基因的表達(dá)調(diào)控中發(fā)揮重要作用。

研究人員首先利用ITC技術(shù)體外測(cè)得Spindlin1對(duì)于H3“K4me3-K9me3”多肽的親和力為16nM，是目前已知的Spindlin1對(duì)各種組蛋白甲基化多肽的親和力中最強(qiáng)的一個(gè)。Spindlin1-H3“K4me3-K9me3/2”復(fù)合物結(jié)構(gòu)表明，H3K4me3和H3K9me3/2分別被Spindlin1的第二個(gè)和第一個(gè)Tudor結(jié)構(gòu)域識(shí)別。進(jìn)一步的突變體實(shí)驗(yàn)表明，第二個(gè)Tudor結(jié)構(gòu)域?qū)3K4me3的識(shí)別主導(dǎo)了該結(jié)合事件，第一個(gè)Tudor結(jié)構(gòu)域?qū)3K9me3/2的識(shí)別進(jìn)一步增強(qiáng)了Spindlin1與組蛋白之間的相互作用。

體外結(jié)合實(shí)驗(yàn)表明，其它H3K4me3的“閱讀器”對(duì)于H3K4me3的解離常數(shù)在微摩水平，且H3K9me3的存在會(huì)進(jìn)一步減弱其親和力，相比之下，H3K9me3不僅不會(huì)減弱反而增強(qiáng)Spindlin1對(duì)組蛋白H3的親和力。ChIP-Seq實(shí)驗(yàn)表明Spindlin1與H3“K4me3-K9me3”修飾存在兩種共定位模式，Spindlin1?與二價(jià)修飾集中分布于基因的啟動(dòng)子區(qū)域，另一方面，Spindlin1可以識(shí)別H3K9me3廣泛存在的基因組區(qū)域中的H3K4me3，表明Spindlin1是一個(gè)異染色質(zhì)的H3K4me3的“閱讀器”。值得一提的是，超過(guò)40%的共定位基因參與了基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控過(guò)程，這些基因包括鋅指蛋白，表觀遺傳酶和效應(yīng)因子等，另外其它共定位基因包括非編碼RNA和rDNA基因等。

Spindlin1識(shí)別組蛋白二價(jià)修飾介導(dǎo)基因表達(dá)“暫?！睜顟B(tài)

在胚胎早期發(fā)育細(xì)胞命運(yùn)決定時(shí)期，H3K9me3介導(dǎo)的異染色質(zhì)是細(xì)胞實(shí)現(xiàn)基因組重編程的主要“能壘”(3)，研究人員認(rèn)為，基因組重編程過(guò)程中，H3K9me3/2廣泛存在的異染色質(zhì)區(qū)域可以被H3K4甲基轉(zhuǎn)移酶加上H3K4me3修飾(4)，此時(shí)，組蛋白二價(jià)修飾H3“K4me3-K9me3/2”可以有效招募Spindlin1，進(jìn)而使下游基因表達(dá)處于“暫?！睜顟B(tài)，以便快速響應(yīng)外界細(xì)胞分化或代謝信號(hào)。

綜上所述，該工作首次鑒定到Spindlin1是異染色質(zhì)區(qū)域的H3K4me3的“閱讀器”，識(shí)別組蛋白雙修飾H3“K4me3-K9me3/2”。這一識(shí)別事件可能在胚胎發(fā)育早期細(xì)胞分化的關(guān)鍵基因和細(xì)胞核仁中rDNA基因的表達(dá)調(diào)控過(guò)程中發(fā)揮重要作用。

據(jù)悉，本研究在清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院完成。李海濤教授為通訊作者，趙帆博士為第一作者。清華大學(xué)張奇?zhèn)?/strong>課題組的劉雨楠同學(xué)完成了ChIP-Seq實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析工作。其中，蘇曉楠博士，宋雨桐同學(xué)對(duì)本工作有重要貢獻(xiàn)。該研究工作得到了清華大學(xué)高軍濤教授，NIH糖尿病研究所戈凱教授和Ji–Eun?Lee博士的大力支持。同時(shí)，該課題也得到了上海同步輻射光源和清華大學(xué)X-ray晶體學(xué)平臺(tái)的大力協(xié)助。