责编 | 奕梵
近日，耶鲁大学Yannick Jacob实验室在Science上发表了题为The histone H3.1 variant regulates TONSOKU-mediated DNA repair during replication的研究论文。该研究发现动植物中保守的TONSOKU （TSK） 蛋白存在一个特定的TPR结构域，能在DNA 复制的过程中特异性识别组蛋白H3 变体H3.1，从而在DNA复制过程中修复 DNA断裂，保障DNA复制在生物体内的稳定进行。
动植物中的组蛋白H3家族存在两种变体，分别是依赖DNA复制插入染色质的H3.1变体（H3.1 variant） 以及独立于DNA复制的H3.3变体（H3.3 variant） 。两变体间序列高度相似，在组蛋白修饰富集的N端序列 （1-40 aa） 上，仅在第31位氨基酸上存在区别 （H3.1A31和H3.3T31，动物上为H3.3S31） 。有趣的是，这两类组蛋白H3变体却在基因组分布和表达水平上存在显著的差异。H3.3多富集于转录活跃的常染色质 （euchromatin） 上，H3.1则富集于抑制转录的异染色质 （heterochromatin） 上 。因此，了解这两种不同的组蛋白H3变体是否能招募特定的表观遗传修饰因子（histone reader）以识别特异的组蛋白修饰，从而进一步探究为何生物需要进化出两种如此相似却功能特异的H3变体，一直是该领亟待解决的问题。
在植物中，组蛋白H3K27 单甲基转移酶 ATXR5 和 ATXR6 （ATXR5/6） 是目前已知唯一能特异性甲基化 H3.1 变体的组蛋白修饰酶 （Jacob et al., 2009） 。ATXR5/6突变会导致转座子活化和异染色质序列的异常扩增，证明了ATXR5/6 在维持植物基因组稳定性方面扮演重要的角色。ATXR5/6 对 H3.1 的特异性单甲基化进一步暗示组蛋白H3.1 变体很有可能在维持基因组稳定性和调控转录沉默方面具有特定功能。然而，先前的研究并未阐明 H3.1 变体是通过哪些机制参与维持基因组稳定，而由于ATXR5/6僅存在植物中，该机制在动物中是否保守仍待近一步探索。
耶鲁大学Jacob实验室领衔的研究表明，TSK蛋白通过其保守的TPR结构域特异性辨认组蛋白H3.1变体，并通过调控DNA修复影响基因组的稳定性。先前的研究表明，动物中TSK的同源蛋白TONSL能辨认未修饰的组蛋白H4并介导HR修复处理DNA复制中的损伤 （ Saredi et al., 2016） 。研究人员通过序列比对发现TONSL蛋白在动物中与组蛋白H4结合的ANK结构域在植物中并不存在，反之TPR结构域的序列在动植物间却高度保守。为了进一步阐释TPR结构域的功能，作者通过一系列生化实验证明了TPR结构域能区别组蛋白 H3.1变体A31位置和组蛋白H3.3 变体T31位置，以此特异结合H3.1变体，并且此特异性结合在动物 TONSL 蛋白中也是保守的。之后作者与合作单位共同解析了TSK-TPR与H3.1的蛋白晶体结构，发现TSK与组蛋白H3.1变体N端结合，且仅辨认未修饰的H3.1变体。结合先前的研究，作者推论TSK可能通过辨认未修饰组蛋白H3.1变体，从而与DNA复制后新生成的染色质特异性结合，在DNA断裂发生时介导HR修复。
植物新生成染色质上的H3.1变体会被ATXR5/6辨认进行甲基化或被替换为H3.3变体，作者因此推断先前研究中发现的由ATXR5/6突变导致的基因组不稳定是由于TSK不正常结合造成。通过构建tsk/atxr5/6三突变的遗传学材料，进一步的研究发现，三突变的植株能抑制atxr5/6双突变所导致的基因组不稳定性，且此一不稳定性是由于基因组的不正常修复所引起的。
图1 DNA复制过程中 H3 变体和TSK之间相互作用模型。1. DNA复制前TSK 无法和H3.3变体及带有甲基化修饰 H3.1变体结合。2. DNA复制时，新合成的H3.1 变体由于沒有修饰与 TSK 形成复合体并插入新生成的染色质上。3. 若复制过程产生DNA双链断裂，则 TSK 帮助 DNA 修复避免复制叉崩溃。4. ATXR5/6 对新插入的 H3.1 变体进行单甲基化，防止 TSK 在 DNA 复制后与 H3.1 变体相互作用。
综上所述，该研究报道了一个动植物间保守的H3.1变体特异识别蛋白TSK，并阐释了这一蛋白是如何在DNA复制过程中行使作用。由于H3.1会随着染色质成熟积累甲基化或被置换为 H3.3，从而在染色质成熟后阻止TSK蛋白的结合，将其活性限制在新复制的 DNA 上，避免过度的DNA修复导致基因组的不稳定（图1）。这一研究阐明了H3.1和 H3.3变体在第 31 位置存在单个氨基酸差异的生物学意义，揭示了组蛋白 H3.1变体新的生物学功能。
值得一提的是，奥地利科学院格雷戈尔·孟德尔研究所Frederic Berger教授在Science同期发表了题为One residue—one function的观点文章，对该工作进行了解读和评论。
渥太华晶体中心Hossein技术员和耶鲁大学博士生黄義竣为论文共同第一作者，Jacob教授为本文通讯作者，浙江大学董杰研究员合作参与了该项工作。
参考文献
Jacob, Y., et al., ATXR5 and ATXR6 are H3K27 monomethyltransferases required for chromatin structure and gene silencing. Nature structural & molecular biology, 2009. 16(7): p. 763-8.
Saredi, G., et al., H4K20me0 marks post-replicative chromatin and recruits the TONSL-MMS22L DNA repair complex. Nature, 2016. 534(7609): p. 714-718.
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm5320
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