Cell Research:揭示 H3K4me2/3 直接调控基因转录的机制

2023-03-28 17:08 · 生物探索

基因表达的精准调控,对机体发育和细胞的各种生理功能的维持至关重要。

真核生物基因的转录主要分为转录起始(initiation)、暂停-释放(pausing-release)、延伸(elongation)和终止(termination)四个步骤,转录进程的顺利进行与DNA修饰、组蛋白修饰和RNA修饰等表观遗传修饰高度相关。组蛋白修饰(histone modification)是指组蛋白在相关酶催化下发生甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化和ADP核糖基化等动态修饰的过程,它可通过招募效应蛋白来改变染色质的开放或凝聚的状态,进而调控基因的表达。组蛋白H3第4位赖氨酸的甲基化修饰(H3K4)在进化上高度保守,是被研究最多的组蛋白修饰。

2023年3月15日,复旦大学生物医学研究院陈飞团队在Cell Research上发表了题为H3K4me2/3 modulate the stability of RNA polymerase II pausing的研究论文,发现H3K4me2/3在细胞内是通过维持暂停Pol II(paused Pol II)在近端启动子区的稳定而促进基因激活,而H3K4me2/3对转录起始没有明显的调控作用。本研究中涉及所有测序服务均由安诺优达提供。

微信图片_20230328170931.png

研究结果

为了研究H3K4甲基化修饰对转录是否具有直接的调控作用,研究人员在小鼠胚胎干细胞(mESCs)中利用CRISPR-Cas9系统构建了FKBP12F36V-RBBP5和DPY30(RBBP5-dTAG和DPY30-dTAG)细胞系,通过对内源蛋白进行快速降解,发现随着蛋白降解时间的延长,约12-24小时可清除H3K4me3和H3K4me2,需要更长的时间才可能清除H3K4me1,表明H3K4me2/3相对于H3K4me1更加动态(图1)。ChIP-Rx结果显示蛋白降解6小时后H3K4me3在全基因组上的分布均显著降低,大部分H3K4me2在全基因组上的分布也显著降低,变化趋势与WB显示的结果一致。

微信图片_20230328170911.png

图1 RBBP5蛋白快速降解后组蛋白修饰变化谱

为了探究H3K4me2/3的减少是否会影响转录,研究人员在蛋白降解不同时间的mRBBP5-dTAG小鼠胚胎干细胞系中进行Pol II ChIP-Rx,结果表明H3K4me2/3具有维持启动子区Pol II稳定的作用。为了回答H3K4me2/3具体维持哪类Pol II的稳定,研究人员用Triptolide处理RBBP5蛋白降解12小时后的细胞,发现PIC Pol II在启动子区的分布没有减少,揭示了H3K4me2/3具有维持启动子区暂停Pol II稳定的作用。

微信图片_20230328170905.png

图2 H3K4me2/3对基因转录调控的作用

总结

长久以来,人们认为H3K4me3通过招募TFIID来促进转录起始复合物(PIC)的组装,进而促进基因转录。该工作利用小鼠胚胎干细胞模型研究了H3K4me2/3对基因转录的直接调控作用,回答了长期困扰领域的问题。发现H3K4me2/3不影响转录的起始或调控转录的暂停-释放,而是通过维持暂停Pol II在近端启动子区稳定的新颖机制来调控转录。为研究H3K4me2/3在细胞命运决定和病变进展的作用机制提供全新视角。