Nature丨“嘘（Hush）！”——无内含子可移动元件保持“沉默”的安保机制

撰文 | 十一月

所有生物的基因组都需要抵御外来DNA的入侵，真核细胞识别外来DNA并通过抑制性的染色质修饰限制转录。人类基因沉默中枢复合体（Human silencing hub，HUSH）通过H3K9me3修饰抑制逆转录转座子L1s以及逆转录病毒的转录【1】。但是HUSH复合体如何识别外来入侵遗传元件以及启动基因沉默的具体分子机制还不甚清楚。

近日，英国剑桥大学Paul J. Lehner研究组发文题为Genome surveillance by HUSH-mediated silencing of intronless mobile elements，发现HUSH复合体能够识别较长的、无内含子的转基因，在靶基因位点结合新生转录本，同时也发现靶位点转录本对于H3K9me3的起始和扩展都是都非常关键，揭示出了一个转录依赖的基因组监视与安保系统，为基因组稳定性提供即时性的保护。

哺乳动物细胞基因组会不断受到转座子和病毒在内可移动遗传因子入侵的威胁，而对该威胁进行控制是维持基因组完整性的基础。哺乳动物细胞中的常见的染色质沉默因子包括：新生转录本互补的小RNA引导因子或则是序列特异性的DNA结合蛋白。在生殖细胞中转座子位点上，PIWI相互作用的RNA—piRNAs引导的PIWI蛋白并促进染色质转录的抑制【2】。piRNA以及KRAB-ZFP信号通路负责生殖细胞以及多能干细胞中可移动元件的抑制，而在多能干细胞以及分化的细胞中HUSH复合体负责的移动元件的沉默。为了达到这一目的，HUSH复合体中的TASOR、MPP8以及Periphilin招募两个效应因子MORC2以及SETDB1对基因组进行沉默，MORC2是ATP依赖的染色质重塑因子负责染色质的压缩，而SETDB1将H3K9me3的修饰加入的染色质之中【1,3】。

先前的研究表明HUSH复合体识别L1是通过对内在固有的序列信息，为了确认L1序列具有独立于其整合位点的HUSH抑制作用，作者们的构建了一个L1的慢病毒荧光报告因子，从而可以通过荧光检测其中L1的表达。慢病毒表达在野生型的细胞中会保持抑制状态，但是当将HUSH复合体中的组分进行敲除后，慢病毒开始表达，而且作者们发现HUSH复合体介导的L1的沉默并不依赖于L1在基因组中的整合位点。HUSH复合体可以识别序列多样化可以移动遗传元件，但是作者们发现较短的L1片段会逃脱HUSH复合体的识别，这说明HUSH复合体识别目标片段可能依赖于核苷酸的组成。随后作者们发现这种依赖主要是根据转基因片段的长度以及核苷酸A的含量。

先前研究表明入侵的DNA会在基因组整合之前会先进行染色质化，因此，作者们想知道HUSH复合体是否会在基因组整合之前的启动表达抑制。通过转染不同的慢病毒载体，作者们发现HUSH复合体会先于转基因的整合的启动抑制程度。HUSH会靶向内源的、全长的、新生的L1s，而这些L1通常会富集在可以转录的常染色质中。所以作者们猜测HUSH复合体识别和检测外来入侵基因可能会依赖于转录过程。作者们发现HUSH依赖的H3K9me3标记会积累在转录活跃的L1报告因子上，但是在缺乏启动子的情况下抑制性标记的富集会显著降低。因此，该结果说明HUSH复合体靶向目标基因依赖于其靶标基因的转录，通过新生RNA免疫共沉淀实验作者们进一步证明了该结论。

但作者们发现只有转录的开放阅读框也就是cDNA序列会被抑制，但是内源性的基因组位点并没有被HUSH复合体所抑制，其中一个关键性的区别是内含子的存在。所以作者们非常好奇HUSH复合体的识别特异性是否依赖于内含子。所以作者们在先前的报告因子中加入了长的内含子，发现内含子的加入的确会破坏HUSH复合体介导的基因沉默过程。另外，作者们发现HUSH复合体敏感性的降低内含子长度存在相关性。而且，作者们发现是内含子存在本身而非内含子的剪接过程拮抗HUSH复合体介导的基因沉默过程。

图1 工作模型

总的来说，该工作鉴定发现了HUSH复合体作为哺乳动物细胞中的安全监视系统发挥作用的具体机制，该复合体通过识别具有内含子的可移动元件的转录本来确保可移动元件或者外源入侵DNA，从而促进H3K9me3这一抑制性修饰的在靶标位点的标记，从而为机体的基因组提供即时性的保护同时又避免宿主基因本身被错误抑制（图1）。

参考文献

1 Tchasovnikarova, I. A. et al. GENE SILENCING. Epigenetic silencing by the HUSH complex mediates position-effect variegation in human cells.Science(New York, N.Y.) 348, 1481-1485, doi:10.1126/science.aaa7227 (2015).

2 Aravin, A. et al. A novel class of small RNAs bind to MILI protein in mouse testes.Nature442, 203-207, doi:10.1038/nature04916 (2006).

3 Tchasovnikarova, I. A. et al. Hyperactivation of HUSH complex function by Charcot-Marie-Tooth disease mutation in MORC2.Nature genetics49, 1035-1044, doi:10.1038/ng.3878 (2017).

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-021-04228-1