NCB ：组蛋白K-to-M突变助力表观遗传in vivo研究

来源：BioArt

撰文 | 小柚

组蛋白修饰（histone modification）指组蛋白在相关酶的作用下发生甲基化，乙酰化和泛素化等修饰的过程。近年来，新型组蛋白修饰被鉴定，包括组蛋白巴豆酰化（详见BioArt报道：推荐丨李海涛组综述组蛋白新型酰基化修饰建立和去除的分子机制）和乳酸化修饰（详见BioArt报道：Nature亮点 | 赵英明组发现组蛋白乳酸化新修饰）。

大量研究表明，组蛋白修饰可以通过调控基因表达在生长发育和疾病进程中发挥了重要作用。比如，H3K36me3和H3K4me3与基因激活相关，而H3K9me3和H3K27me3则与基因抑制相关。然而，我们对组蛋白修饰在发育过程中的体内功能（in vivo function），尚不完全了解。

特定组蛋白修饰的功能难以确定，主要是因为组蛋白被哺乳动物基因组中多个基因编码，不能用传统的基因突变方法得到合适的突变体。因此，目前许多研究通过突变组蛋白修饰酶来推断该组蛋白修饰的功能。但是这些酶也具有非组蛋白的催化底物，或充当招募其他因子的支架，它们的功能或许与组蛋白修饰无关【1-4】。因此，对于组蛋白修饰的直接生物学影响，我们还不清楚。

2019年10月28日，来自美国马萨诸州再生医学中心的Konrad Hochedlinger和Hanno Hock教授在Nature Cell Biology发表研究 Inducible histone K-to-M mutations are dynamic tools to probe the physiological role of site-specific histone methylation in vitro and in vivo ，该研究通过可诱导的组蛋白K-to-M（赖氨酸到甲硫氨酸）突变研究特定位点组蛋白甲基化在体外和体内的生理功能。

组蛋白H3.3上的K-to-M和K-to-I（赖氨酸到异亮氨酸）突变能抑制相应位点的甲基化修饰。此类突变会干扰甲基化酶的SET活性结构与组蛋白的识别，导致整体甲基化的减少。K-to-M也因此成为研究甲基化酶突变致死体系中组蛋白修饰功能的亚等位基因（Hypomorph）【5】。值得注意的是，H3.3K36M在骨肉瘤和头颈癌中被发现，H3.3K9M突变导致果蝇的生长缺陷。但是，这两种突变在未癌变的原代细胞或小鼠中的功能尚不清楚。

因此，研究者设计了H3K9M，H3K36M和野生型H3的可诱导表达载体，转入小鼠胚胎干细胞并构建了转基因小鼠模型。过表达的H3K9M和H3K36M蛋白定位于细胞核中，并能显著降低H3K9me3和H3K36m2/3修饰，说明H3K9M和H3K36M成功替换H3并抑制了相应位点的甲基化修饰。

研究显示，表达H3K36M的小鼠，红细胞生长停滞，发展成严重贫血，具有明显的造血干细胞缺陷，并很快死亡。相反，表达H3K9M的小鼠生存期长达一年，但多能祖细胞扩增，淋巴细胞异常血小板增多。此外，部分H3K9M小鼠死于T淋巴细胞白血病或淋巴瘤，而表达H3K36M的小鼠睾丸和肠分化缺陷。令人惊讶的是，终止H3K9M和H3K36M的表达可以恢复这些发育分化异常。

通过Chip-seq和RNA-seq，研究者发现在造血干细胞中，H3K9me3丰度的改变与基因表达量的改变并没有直接的关系，这可能是由于H3K9me3广泛分布在重复和基因贫乏的地区。研究者注意到，虽然H3K9me2在某一位点的变化幅度不大，但是它变化的范围跨越了更大的区域。由此研究者猜测H3K9M有可能是通过改变染色质空间结构间接的调控基因表达。ATAC-seq显示，H3K9M显著提高了染色质的开放性。因此，H3K9me在造血干细胞中主要调控染色质的开放性，而不是直接作用于某一基因位点来影响基因的表达。对于H3K36M，甲基化的缺失和基因表达沉默有显著的相关性，并能H3K27me3丰度。提示H3K36甲基化通过直接和间接的途径影响基因表达。

总的来说，该研究发现单个组蛋白修饰在分化的特定时期被需要，它们的缺失造成发育不同阶段的异常；并建立了研究组蛋白体内功能的有力工具，可拓展到研究组蛋白修饰在损伤衰老等体系中的功能。

值得注意的是，同一组蛋白位点可以携带多种修饰，比如组蛋白H3的第27位赖氨酸可以被乙酰化修饰，形成H3K27ac，促进基因的表达；也可以被甲基化修饰，形成H3K27me抑制基因的表达。而K-to-M突变会同时影响这两种功能相反的组蛋白修饰。因此，研究组蛋白修饰的体内功能，还需更多有效的方法。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41556-019-0403-5

参考文献

1. Miller, S. A., Mohn, S. E. & Weinmann, A. S. Jmjd3 and UTX play a demethylase-independent role in chromatin remodeling to regulate T-box family member-dependent gene expression. Mol. Cell 40, 594–605 (2010)

2. Shpargel, K. B., Sengoku, T., Yokoyama, S. & Magnuson, T. UTX and UTY demonstrate histone demethylase-independent function in mouse embryonic development. PLoS Genet. 8, e1002964 (2012)

3. Kim, E. et al. Phosphorylation of EZH2 activates STAT3 signaling via STAT3 methylation and promotes tumorigenicity of glioblastoma stem-like cells. Cancer Cell 23, 839–852 (2013)

4. Xu, K. et al. EZH2 oncogenic activity in castration-resistant prostate cancer cells is Polycomb-independent. Science 338, 1465–1469 (2012).

5. Mohammad, F. et al. EZH2 is a potential therapeutic target for H3K27Mmutant pediatric gliomas. Nat. Med. 23, 483–492 (2017)