Plant Cell | 冯小琦/赫圣博揭示组蛋白H1通过相分离机制驱动异染色质浓缩

责编 | 王一

近日，奥地利科学技术研究所 (Institute of Science and Technology, Austria, ISTA)冯小琦实验室和华南农业大学农学院赫圣博教授课题组在国际著名植物学期刊The Plant Cell在线发表了题为Linker histone H1 drives heterochromatin condensation via phase separation in Arabidopsis的研究论文，揭示了组蛋白H1通过相分离机制驱动拟南芥异染色质浓缩。

高等植物的染色质可大体上分为常染色质和异染色质。体细胞的常染色质富含基因，松散分布于细胞核内，为转录活跃区；而异染色质富含转座子，发生高度浓缩，为转录非活跃区，分布于细胞核的边缘。冯小琦实验室前期的工作揭示了精子常染色质浓缩的相分离机制（点击查看：），而异染色质如何发生浓缩仍然未知。

转座子通常处于非活性状态，其一旦激活发生跳跃，将破坏基因组稳定性。异染色质富含转座子，发生高度浓缩，在显微镜下呈现出清晰可见的浓缩结构，命名为异染色质浓缩斑(heterochromatin foci, HF)。植物利用多种表观遗传机制浓缩异染色质，抑制转座子激活。这些表观机制包括DNA甲基化、组蛋白修饰H3K9me2、异染色质浓缩因子（如ADCP1, MORC, H2A.W, H1）等。冯小琦实验室前期的研究发现，组蛋白H1对异染色质浓缩至关重要（点击查看：），然而，H1如何浓缩异染色质以及这种浓缩作用对H1的调控功能是否重要仍需研究。

该研究通过Hi-C研究了H1突变对染色质高级结构的影响，结果显示h1突变体中异染色质内部的互作减弱，而异染色质和常染色质之间的互作以及染色体臂之间的互作均得到增强（图1），指示H1对染色质高级结构有显著影响。

图1. Hi-C显示h1突变体与野生型之间的染色质互作差异

分析发现，H1.1和H1.2的N端和C端均有固有无序区(IDR)，N-IDR较短，C-IDR较长。体外相分离实验显示H1.1和H1.2发生DNA依赖的相分离，且FRAP结果显示相分离浓缩物流动性低，表现出gel-like的性质。进一步体外组装高质量12×核小体串，与H1进行体外相分离实验，同样观察到H1与12×核小体串发生gel-like相分离（图2）。

图2. H1与核小体串在体外发生gel-like相分离

前期研究表明H1形成浓缩物，且与HF共定位，FRAP实验同样显示细胞核内H1浓缩物为gel-like性质，在添加1,6-己二醇（具有疏水相互作用干扰能力）后，H1浓缩物解聚（图3）。这些结果表明H1在体内发生gel-like相分离。

图3. H1在体内发生gel-like相分离

使用H1的各种截短体进行体外相分离实验，研究人员进一步确定了介导H1相分离的功能区为C-terminal IDR，而N-IDR作用较小（图4）。有意思的是，将N端大部分缺失，只保留一部分globular domain (GD)的截短体H1G18IDR也可与核小体串发生相分离。

图4. C-IDR介导H1发生相分离

体内实验同样显示，缺失C-IDR的截短体H1ΔC-IDR不能形成浓缩物，且无法恢复h1突变体中解聚的HF；而H1G18IDR形成明显的相分离浓缩物，且在h1突变体中恢复了HF，表明C-IDR介导的H1相分离和HF的形成（图5）。

图5. C-IDR介导H1相分离和HF的形成

已知H1调控核小体重复长度 (nuclear repeat length, NRL) 和DNA甲基化，研究人员进一步探究了H1相分离介导的HF形成对其染色质调控功能的影响。MNase-seq和Bisulfite-seq结果显示HIG18IDR而非H1ΔC-IDR能够回补h1突变体的NRL和DNA甲基化表型（图6,7），暗示H1相分离介导的HF形成对其染色质调控功能是重要的。

图6. H1调控NRL需要C-IDR

图7. H1调控DNA甲基化需要C-IDR

细菌中存在H1-like蛋白，主要由IDR组成，与真核生物H1蛋白不同的是缺少globular domain (GD)。将百日咳杆菌（Bordetella pertussis）的H1-like蛋白替换拟南芥H1.1蛋白的C-IDR（即H1-swapBpIDR）进行体外相分离实验，结果显示H1-swapBpIDR与全长H1.1的相分离能力几乎相当（图4），表明细菌的H1-like蛋白具有发生相分离浓缩染色质的能力。

综上，该研究揭示了了H1的C端无序区介导H1相分离，驱动异染色质浓缩，这对核小体分布方式和DNA甲基化具有重要的调控作用。H1和H1-like蛋白的相分离也许代表了染色质/DNA浓缩的一种古老的机制。

华南农业大学农学院赫圣博教授为论文第一作者，奥地利IST于义溟博士和清华大学/中科院生物物理所王亮博士（现为华中科技大学同济医学院PI）为共同第一作者，奥地利IST冯小琦研究员为论文的通讯作者。清华大学李丕龙教授和生物物理所李国红研究员参与指导本课题；华南农大农学院张静懿副教授和硕士生白政永参与了该研究。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koae034