研究小組發(fā)現(xiàn)兩種異染色質(zhì)形成必需機(jī)制

    為了將兩米長的DNA分子裝入到只有幾千分之一毫米大小的細(xì)胞核中，DNA長片段必須強(qiáng)力地緊密壓縮。表觀遺傳學(xué)標(biāo)記維持著這些稱作異染色體的部分。來自馬克思普朗克免疫生物學(xué)和表觀遺傳學(xué)研究所的科學(xué)家們現(xiàn)在進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了異染色質(zhì)形成必需的兩種機(jī)制。

    由Thomas Jenuwein*的研究小組揭示了兩種新酶Prdm3和Prdm16將甲基團(tuán)添加到了DNA的一種特異包裝蛋白上。這些表觀遺傳學(xué)標(biāo)記確保了異染色質(zhì)維持完整。此外，在進(jìn)一步的研究中他們確定了結(jié)合在異染色質(zhì)中，抑制非編碼RNA輸出信號的轉(zhuǎn)錄因子。與稱作常染色質(zhì)不太緊密壓縮的區(qū)域轉(zhuǎn)錄因子積聚在特異的位點(diǎn)相反，異染色質(zhì)中轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn)更多的是隨機(jī)分布。

    染色質(zhì)是由DNA分子和包括組蛋白的大量蛋白質(zhì)組成。與包含大多數(shù)基因的易于接近的常染色質(zhì)相反，緊密壓縮的異染色質(zhì)大多數(shù)是由能夠形成非編碼RNA分子的重復(fù)序列組成。

    異染色質(zhì)部分被發(fā)現(xiàn)存在于著絲粒和染色體的末端（端粒）。組蛋白的化學(xué)修飾可以改變?nèi)旧|(zhì)的緊密壓縮程度。例如甲基轉(zhuǎn)移酶將甲基團(tuán)添加到蛋白質(zhì)的不同位點(diǎn)。這些表觀遺傳學(xué)改變調(diào)控了異染色質(zhì)的形成和維持。

    Thomas Jenuwein部門的博士生Inês Pinheiro現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)Prdm3和Prdm16發(fā)揮了甲基轉(zhuǎn)移酶的功能，將一個(gè)甲基團(tuán)添加到了組蛋白H3的賴氨酸9 （H3K9）位點(diǎn)。直到現(xiàn)在，科學(xué)家們都以為兩種蛋白只是轉(zhuǎn)錄因子，調(diào)控各種基因的活性。研究人員在實(shí)驗(yàn)中關(guān)閉了兩種酶證實(shí)了Prdm3和Prdm16的重要性。異染色質(zhì)破壞，異染色質(zhì)區(qū)域可以被讀取。“我們的實(shí)驗(yàn)證實(shí)Prdm3和Prdm16將一個(gè)甲基團(tuán)附著在H3K9位點(diǎn)。這種單甲基化H3（H3K9me1）隨后被運(yùn)送到細(xì)胞核，插入到染色質(zhì)中。直到這時(shí)異染色質(zhì)仍然維持完整，”馬克思普朗克免疫生物學(xué)和表觀遺傳學(xué)研究所主任Thomas Jenuwein說。其他的甲基轉(zhuǎn)移酶例如Suv39h可以添加另外的兩個(gè)甲基團(tuán)（H3K9me3）到單甲基化組蛋白上，由此進(jìn)一步提高異染色質(zhì)的穩(wěn)定性。

    然而，并不僅組蛋白甲基化是維持異染色質(zhì)區(qū)域的必要條件。在進(jìn)一步的研究中，博士生Aydan Karslioglu和Valentina Perrera檢測了轉(zhuǎn)錄因子的作用——在異染色質(zhì)情況中非編碼RNA分子的抑制。研究顯示兩種轉(zhuǎn)錄因子Pax3和 Pax9是完整異染色質(zhì)的必要條件。只有當(dāng)兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子和它們的結(jié)合位點(diǎn)存在于重復(fù)DNA中時(shí)，異染色質(zhì)維持不變。研究人員認(rèn)為其他的轉(zhuǎn)錄因子也可能結(jié)合了異染色質(zhì)的重復(fù)序列。

    轉(zhuǎn)錄因子由此在常染色質(zhì)以及異染色質(zhì)中控制了基因活性。盡管這樣，兩者之間仍有差異。在異染色質(zhì)中，結(jié)合位點(diǎn)在DNA鏈上比較隨機(jī)地分布，而常染色質(zhì)集中在基因調(diào)控的重要位置。

    對于研究人員而言，異染色質(zhì)和常染色質(zhì)之間的重要的差別在于基因活性的控制和RNA的形成。“在異染色質(zhì)，轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點(diǎn)分布更隨機(jī)，因此它們不能增強(qiáng)彼此的效應(yīng)。因此在這些位點(diǎn)DNA不能以這樣一種和協(xié)調(diào)的方式被讀取。在末端主要關(guān)閉異染色質(zhì)的抑制性影響占支配地位，”Jenuwein說。與之相反，對于常染色質(zhì)，轉(zhuǎn)錄因子以彼此增強(qiáng)功能的方式結(jié)合到DNA上。這使得可以對基因活性進(jìn)行控制。

    此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)沒有Prdm3和Prdm16，細(xì)胞核纖層受到損壞。在內(nèi)層核膜上異染色質(zhì)必須與這層纖層蛋白相關(guān)聯(lián)。“細(xì)胞顯然需要H3K9甲基化以及借助Prdm3和Prdm16的未知染色質(zhì)或纖層蛋白來維持異染色質(zhì)的穩(wěn)定。和其他的甲基轉(zhuǎn)移酶一樣，我們假定兩種酶都能夠甲基化組蛋白之外的其他分子。但我們還不知道纖層的破壞是否是由異染色質(zhì)喪失或一種纖層蛋白甲基化缺失所引起，”Jenuwein說。