Science！朱冰/许瑞明揭示胚胎发育重要调控机制

CpG 岛 (CGI) 通常与管家基因相关。 BANP 是一种 DNA 甲基化敏感的 CGI 结合蛋白，是其激活所必需的。 CGI 也与二价基因有关，CGI 相关的二价基因是否以及如何受到序列特异性识别的调节，不是很清楚。

2022年2月10日，中科院生物物理研究所朱冰与许瑞明共同通讯在Science 在线发表题为“Highly enriched BEND3 prevents the premature activation of bivalent genes during differentiation”的研究论文，该研究报告 BEND3 是一种富含调节元件的 CpG 岛 (CGI) 结合蛋白。 BEND3与其靶DNA复合的共晶结构揭示了其DNA甲基化敏感结合特性的结构基础。

Bend3 敲除的小鼠胚胎在原肠胚形成前阶段死亡。 Bend3 null ES 细胞表现出严重的分化缺陷，在此期间，数百个含有 CGI 的二价基因被过早激活。 BEND3是PRC2复合物在BEND3高度占据的二价基因上稳定结合所必需的，这表明BEND3在维持ES细胞中这些二价基因的高水平H3K27me3方面具有控制功能，以防止它们在即将到来的发育阶段过早激活。

CpG 岛 (CGI) 通常与管家基因相关。 BANP 是一种 DNA 甲基化敏感的 CGI 结合蛋白，是其激活所必需的。 CGI 也与二价基因有关，CGI 相关的二价基因是否以及如何受到序列特异性识别的调节，不是很清楚。

BEND3 在体外被鉴定为一种未甲基化的 DNA 结合蛋白。 小鼠 TT2 胚胎干细胞 (ESC) 中的染色质免疫沉淀 (ChIP)-seq 实验共鉴定了 27,536 个 BEND3 峰，其中约 51% 和 28% 分别与启动子和增强子重叠。

BEND3 的占有率严重偏向于 CGI 相关基因。 大约 85%（12,037 来自 14,117）的 CGI 相关转录起始位点（TSS）和 81% 的 CGI 相关增强子（1,246 来自 1,533）被 BEND3 结合。 BEND3 和 NMI 信号（非甲基化岛）在 BEND3 峰处显示出强烈的重叠。 有趣的是，BEND3 占据活性启动子（仅 H3K4me3）和二价启动子（H3K4me3 和 H3K27me3），但不占据沉默启动子（仅 H3K27me3）。 在增强子处，BEND3 优先占据由 H3K4me1 和 H3K27me3 标记的平衡增强子。 值得注意的是，45% 的平衡增强子相关基因是二价基因。

BANP 的结合基序与 BEND3 基序共享 CGCG，但在侧翼区域不同。 BANP 在 CGI 促进剂处富集，但在 CGI 增强剂处不富集。 与 BEND3 不同，BANP 强烈偏爱活性 CGI 启动子，这表明 BEND3 可能在调节二价基因中发挥独特的作用。

BEND3在小鼠胚胎发育以及胚胎干细胞分化过程中发挥重要功能（图源自Science ）

BEND3 有四个 BEN 结构域，果蝇 Insv BEN 结构域是一个序列特异性 DNA 结合模块。 在电泳迁移率变动分析（EMSAs）中，只有 BEND3 的第四个 BEN 结构域（BEN4）表现出与含有 CCCACGCG 基序的探针的结合。BEND3与其靶DNA复合的共晶结构揭示了其DNA甲基化敏感结合特性的结构基础。

Bend3 敲除的小鼠胚胎在原肠胚形成前阶段死亡。 Bend3 null ES 细胞表现出严重的分化缺陷，在此期间，数百个含有 CGI 的二价基因被过早激活。 BEND3是PRC2复合物在BEND3高度占据的二价基因上稳定结合所必需的，这表明BEND3在维持ES细胞中这些二价基因的高水平H3K27me3方面具有控制功能，以防止它们在即将到来的发育阶段过早激活。

中科院生物物理所朱冰研究员和许瑞明研究员为本文的共同通讯作者。朱冰课题组张晶博士，张彦博士和许瑞明课题组游庆龙博士为本文共同第一作者。该研究得到科技部、国家自然科学基金委和中国科学院的支持。

参考消息：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm0730