生物大分子國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李國(guó)紅課題組研究系統(tǒng)闡述了組蛋白修飾H2AK119ub1在染色質(zhì)上蔓延以及跨細(xì)胞周期繼承的具體機(jī)制。

       真核細(xì)胞內(nèi)，染色質(zhì)是表觀遺傳信息的主要調(diào)控界面。諸多表觀遺傳因子通過(guò)調(diào)節(jié)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的開(kāi)放與關(guān)閉，控制了基因的表達(dá)與沉默，從而維持了不同譜系細(xì)胞內(nèi)基因的差異表達(dá)。其中，多梳抑制復(fù)合物1（PRC1）是一類重要的表觀遺傳調(diào)控因子，它主要通過(guò)壓縮染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和催化形成H2AK119ub1修飾這兩種途徑促進(jìn)了兼性異染色質(zhì)的形成，并以此維持了PRC1靶基因的沉默狀態(tài)。H2AK119ub1在染色質(zhì)局部往往連綿不斷形成非常寬廣的H2AK119ub1區(qū)域，但是其產(chǎn)生的機(jī)制一直未被解析。
       課題組結(jié)合核小體pull-down、體外泛素化、TetR-TetO靶向和CHIP-seq等實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)RYBP和YAF2蛋白能通過(guò)ZNF結(jié)構(gòu)域特異識(shí)別并結(jié)合H2AK119ub1，借此使RYBP-PRC1和YAF2-PRC1復(fù)合物與其催化產(chǎn)物之間形成所謂的“酶-產(chǎn)物之間的正反饋機(jī)制”，從而促進(jìn)了H2AK119ub1向周邊的蔓延。
       有趣的是，通過(guò)基于組蛋白修飾和DNaseI高敏位點(diǎn)的染色質(zhì)狀態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)H2AK119ub1主要分布在結(jié)構(gòu)緊密的異染色質(zhì)區(qū)域，因此提出非常規(guī)PRC1介導(dǎo)的H2AK119ub1蔓延也可能受到染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的調(diào)控。之前，李國(guó)紅和朱平課題組合作，利用冷凍電鏡技術(shù)解析了組蛋白H1壓縮30nm染色質(zhì)纖維的高精度結(jié)構(gòu)，揭示染色質(zhì)纖維是以四核小體為結(jié)構(gòu)單元的左手雙螺旋結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)相間核小體之間的相互作用在維系四核小體內(nèi)部和四核小體之間的穩(wěn)定性中發(fā)揮了重要作用。
        因此，30nm染色質(zhì)纖維可能通過(guò)核小體-核小體配對(duì)（nucleosome-pairing）的方式促進(jìn)了非常規(guī)PRC1介導(dǎo)的H2AK119ub1在染色質(zhì)纖維上的蔓延?；谠摷僭O(shè)，作者進(jìn)行了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)并發(fā)現(xiàn)H1壓縮的30nm染色質(zhì)纖維的確促進(jìn)了H2AK119ub1向鄰近染色質(zhì)區(qū)域的蔓延。
       在體外泛素化實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)引入組蛋白相應(yīng)位置的突變體，證明H1對(duì)H2AK119ub1蔓延的促進(jìn)作用主要通過(guò)改變?nèi)旧|(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。并且，根據(jù)30nm染色質(zhì)纖維的電鏡結(jié)構(gòu)，作者推測(cè)這種促進(jìn)機(jī)制可能遵循相間核小體-核小體的配對(duì)原則。
       *，DNA復(fù)制過(guò)程中染色質(zhì)會(huì)經(jīng)歷一次“破壞-重建”的過(guò)程。在DNA子鏈上新合成組蛋白的裝配會(huì)導(dǎo)致組蛋白修飾至少稀釋一倍，如果沒(méi)有有效的組蛋白修飾恢復(fù)機(jī)制，細(xì)胞身份很難得以維持。
       利用TetR-TetO靶向系統(tǒng)，作者發(fā)現(xiàn)單純靶向RING1B在8xTetO附近僅能形成很窄的H2AK119ub1修飾，當(dāng)利用多西環(huán)素（Doxcycline，Dox）洗去RING1B-TetR-HA時(shí)，異位形成的H2AK119ub1修飾并不能在子代細(xì)胞內(nèi)得到有效的維持。然而過(guò)表達(dá)RYBP促進(jìn)H2AK119ub1向兩側(cè)蔓延形成大約10kb的區(qū)域時(shí)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)正反饋機(jī)制能介導(dǎo)H2AK119ub1在8xTetO附近維持至少6個(gè)細(xì)胞周期。
       同時(shí)發(fā)現(xiàn)H1介導(dǎo)的染色質(zhì)壓縮對(duì)于H2AK119ub1的遺傳也至關(guān)重要。另外在全基因組上，發(fā)現(xiàn)RYBP突變和H1c/H1d/H1e三敲除導(dǎo)致的H2AK119ub1降低以及基因表達(dá)變化有很大程度的重疊。并且利用神經(jīng)分化模型，發(fā)現(xiàn)RYBP突變和H1c/H1d/H1e三敲除均導(dǎo)致神經(jīng)前體細(xì)胞分化障礙。
       因此，說(shuō)明RYBP-/YAF2-PRC1復(fù)合物和組蛋白H1通過(guò)協(xié)同促進(jìn)細(xì)胞周期間H2AK119ub1的播散參與了細(xì)胞分化過(guò)程，提示該表觀遺傳通路具有重要的生物學(xué)功能。