Science：揭示蛋白QSER1保护DNA甲基化谷免受新生甲基化

DNA甲基化对哺乳动物的发育至关重要，它的失调可导致严重的病理状况，包括免疫缺陷-着丝粒不稳定-面部异常综合征（immunodeficiency-centromeric instability-facial anomalies syndrome, ICF）和小脑性侏儒症（microcephalic dwarfism）。酶DNMT和TET负责DNA甲基化的添加和去除，但它们如何协调调节甲基化景观仍然是一个核心问题。

在一项新的研究中，通过使用一种基因敲入的DNA甲基化报告基因，美国研究人员在人胚胎干细胞（hESC）中进行了全基因组CRISPR-Cas9筛选，以发现DNA甲基化调节因子。相关研究结果发表在2021年4月9日的Science期刊上，论文标题为“QSER1 protects DNA methylation valleys from de novo methylation”。

这些作者重点研究了二价启动子（bivalent promoter），其定义为同时存在激活性（H3K4me3）和抑制性（H3K27me3）组蛋白标记，并且通常由多梳抑制复合物1和2（PRC1和PRC2）占据。在干细胞或祖细胞中，二价启动子被认为将发育调节因子维持在“蓄势待发的状态”，准备在分化时激活，并且它们对在功能失调的细胞背景（比如癌症或衰老）下的DNA高度甲基化敏感。构建一种基因敲入DNA甲基化报告细胞系提供了一个可视化观察表观遗传改变的绝佳机会，否则在干细胞状态下，基因表达变化是“看不见的”。通过使用PAX6 P0二价启动子作为代表位点，这些作者旨在在具有类似染色质特征的区域发现调节DNA甲基化的机制，这不仅可以了解发育过程中的基因调控，也可以了解疾病中的表观遗传失调。

他们的筛选不仅成功地发现了已知的甲基化调节因子，如TET1、TDG和KDM2B，而且还发现了功能上未被描述的基因，包括QSER1。像TET蛋白一样，QSER1保护二价启动子和准备好的增强子（以H3K4me1为标志，但不以H3K27ac为标志）免受高度甲基化的影响。然而，与TET蛋白对调控区域的更普遍的保护作用不同，QSER1优先保护PRC2结合和H3K27me3标记的区域和DNA甲基化谷（DNA methylation valley, DMV）。

DMV也被称为DNA甲基化峡谷（DNA methylation canyon），可识别存在于许多谱系的细胞中的较大（≥5 kb）的低甲基化区域，并在脊椎动物中保守。它们富含二价启动子、发育基因和转录因子，包括PAX6和HOX基因。QSER1和TET1在染色质免疫共沉淀测序（ChIP-seq）测得的基因组占有率中表现出高度的相关性，且两者在DMV中都高水平结合，然而新生甲基转移酶DNMT3A和DNMT3B在DMV中未结合，在DMV的两侧区域相对富集。

QSER1保护DNA甲基化谷免受新生甲基化。图片来自Science, 2021, doi:10.1126/science.abd0875。

进一步的蛋白质组和基因组分析显示，QSER1和TET1有许多共同的相互作用蛋白，相互依赖地高效招募到DNA上，并合作限制DNMT3A和DNMT3B在DMV中的侵袭。此外，剔除DNMT3B可以逆转QSER1基因敲除（KO）hESC细胞中的高度甲基化。此外，同时敲除QSER1和TET1对DNA甲基化和基因表达的影响比仅敲除QSER1或TET1都要强，并导致hESC不能分化为PDX1+NKX6.1+胰腺祖细胞。

综上所述，QSER1与TET1合作，在重要的基因组位点，特别是在DMV和二价启动子中，保护转录程序和发育程序免受DNMT3介导的新生甲基化，这是因为DMV和二价启动子的高度甲基化与发育障碍和癌症有关。这项研究为TET途径的区域特异性调控提供了机理上的新见解，并强调了无偏见的全基因组筛选和位点特异性表观遗传学测量的实用性，包括但不限于DNA甲基化，以便探究与人类健康相关的表观遗传学调控机制。

参考资料：
Gary Dixon et al. QSER1 protects DNA methylation valleys from de novo methylation. Science, 2021, doi:10.1126/science.abd0875.

Tianpeng Gu et al. The push and pull of DNA methylation. Science, 2021, doi:10.1126/science.abh3187.

 来源：BIOONNEWS 生物谷