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7月4日，中國科學院生物物理研究所朱冰研究組在《自然》（Nature）上發表了題為Targeting pericentric non-consecutive motifs for heterochromatin initiation的研究論文。該研究揭示了脊椎動物中旁著絲粒異染色質的從頭建立機制。

從裂殖酵母到哺乳動物，旁著絲粒異染色質區域的DNA序列的同源性較低，但組蛋白H3K9甲基化修飾是旁著絲粒異染色質的主要標志。然而，在脊椎動物中，旁著絲粒異染色質的從頭建立機制尚不清楚。

此前，由于存在功能冗余的基因，基于遺傳篩選的研究忽略了負責旁著絲粒異染色質從頭建立的因子。為了鑒定這些被忽略的蛋白因子，基于具有特異性靶向能力的CRISPR/Cas9系統以及具有鄰近標記能力的APEX2系統，朱冰研究組開發出能夠鑒定特定基因組位點附近蛋白質組的技術。這一技術使科研人員能夠在小鼠胚胎干細胞中鑒定到旁著絲粒異染色質附近的蛋白質組。研究發現，鋅指蛋白ZNF512和ZNF512B通過與旁著絲粒異染色質DNA的特異性結合而定位于旁著絲粒異染色質區域。無論是在外源性導入的重復區域還是在旁著絲粒異染色質區域，鋅指蛋白ZNF512和ZNF512B均可以通過與SUV39H1和SUV39H2的直接相互作用而將它們招募到特定位點，進而產生組蛋白H3K9me3所介導的異染色質。

在脊椎動物間，為什么看似不保守的旁著絲粒異染色質序列上均可以形成相同的組蛋白H3K9me3介導的異染色質？研究發現，不同物種的ZNF512和ZNF512B可以特異性地靶向到其他脊椎動物的旁著絲粒異染色質區域。這種能力歸因于鋅指蛋白ZNF512和ZNF512B相同的鋅指指紋以及保守的鋅指之間的較長linker，相同的鋅指指紋提供了識別重復DNA的能力，較長的linker提供了識別非連續DNA序列的靈活性。

盡管SUV39H1和SUV39H2被認為具有冗余的活性，但研究發現這兩個酶之間存在略微不同的生物化學特性。SUV39H2因對組蛋白H3尾巴表現出更高的偏好性，從而表現出更高效的酶學活性；而SUV39H1因其對HP1蛋白具有較高的親和力，從而表現出較強的基因沉默能力。

在小鼠胚胎干細胞中，鋅指蛋白ZNF512除了可以定位在富含TTC/GAA序列的旁著絲粒異染色質區域外，同樣可以定位在富含TTC/GAA序列的年輕的L1Md-T和L1Md-A的5'UTR上?；赯NF512 ChIP-seq和H3K9me3 ChIP-seq的生物信息學分析表明，具有較多TTC/GAA的LINE上結合有更多的ZNF512蛋白，具有更高的組蛋白H3K9me3修飾；在鋅指蛋白ZNF512和ZNF512B雙敲細胞系中，這些LINE上的組蛋白H3K9me3發生更明顯的降低。

該研究解決了兩個長期存在于異染色質領域的問題，也就是組成型旁著絲粒異染色質的從頭建立機制，以及為何在脊椎動物中看似不保守的旁著絲粒異染色質序列卻具有相同的組蛋白H3K9me3修飾。此外，對具有分裂鋅指的鋅指蛋白能夠識別非連續DNA序列的研究揭示了全新的DNA識別模式，對探討蛋白與DNA間的識別模式具有重要意義。這些成果可能會引出更多具有此類性質的蛋白，并啟發生物信息學家開發新的算法來計算DNA結合基序。

研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中國科學院相關項目的支持。

論文鏈接

組成型異染色質的研究歷史