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7月4日，中國科學(xué)院生物物理研究所朱冰研究組在《自然》（Nature）上發(fā)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(zhì)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(zhì)區(qū)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(zhì)的主要標(biāo)志。然而，在脊椎動物中，旁著絲粒異染色質(zhì)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(zé)旁著絲粒異染色質(zhì)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(tǒng)以及具有鄰近標(biāo)記能力的APEX2系統(tǒng)，朱冰研究組開發(fā)出能夠鑒定特定基因組位點附近蛋白質(zhì)組的技術(shù)。這一技術(shù)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(zhì)附近的蛋白質(zhì)組。研究發(fā)現(xiàn)，鋅指蛋白ZNF512和ZNF512B通過與旁著絲粒異染色質(zhì)DNA的特異性結(jié)合而定位于旁著絲粒異染色質(zhì)區(qū)域。無論是在外源性導(dǎo)入的重復(fù)區(qū)域還是在旁著絲粒異染色質(zhì)區(qū)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(chǎn)生組蛋白H3K9me3所介導(dǎo)的異染色質(zhì)。

在脊椎動物間，為什么看似不保守的旁著絲粒異染色質(zhì)序列上均可以形成相同的組蛋白H3K9me3介導(dǎo)的異染色質(zhì)？研究發(fā)現(xiàn)，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(zhì)區(qū)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(fù)DNA的能力，較長的linker提供了識別非連續(xù)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(fā)現(xiàn)這兩個酶之間存在略微不同的生物化學(xué)特性。SUV39H2因?qū)M蛋白H3尾巴表現(xiàn)出更高的偏好性，從而表現(xiàn)出更高效的酶學(xué)活性；而SUV39H1因其對HP1蛋白具有較高的親和力，從而表現(xiàn)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(zhì)區(qū)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。基于ZNF512 ChIP-seq和H3K9me3 ChIP-seq的生物信息學(xué)分析表明，具有較多TTC/GAA的LINE上結(jié)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(fā)生更明顯的降低。

該研究解決了兩個長期存在于異染色質(zhì)領(lǐng)域的問題，也就是組成型旁著絲粒異染色質(zhì)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(zhì)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(xù)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(zhì)的蛋白，并啟發(fā)生物信息學(xué)家開發(fā)新的算法來計算DNA結(jié)合基序。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、中國科學(xué)院相關(guān)項目的支持。

論文鏈接

組成型異染色質(zhì)的研究歷史