Molecular Cell | 中山大学李陈龙课题组发揭示组蛋白H3K27me3扩散的建立机制

Polycomb Repressive Complex 2（PRC2）复合体负责催化的组蛋白H3第27位赖氨酸三甲基化修饰（H3K27me3）是动植物等真核生物体内最重要的表观修饰之一，对细胞分化和器官建成过程至关重要。富含H3K27me3修饰的靶基因位点会形成一种不利于基因转录的异染色质状态，沉默基因表达，从而决定细胞命运。H3K27me3修饰的建立包括两个步骤：成核（nucleation）和扩散（spreading）。成核是指在靶基因的特定位点（即成核区）通过被称为PRE（Polycomb Responsive Element）的DNA基序招募PRC2复合体催化该位点核小体上H3K27me3的形成，发挥启动基因沉默的功能，然而这种沉默状态往往是不稳定的。成核完成之后，H3K27me3修饰向成核区的上下游扩散以覆盖整个靶基因。研究表明，H3K27me3的扩散对维持靶基因的沉默状态至关重要。

由PRE顺式元件介导的H3K27me3成核机制已较为清楚；然而，H3K27me3扩散的分子调控机制尚未阐明。一种观点认为H3K27me3扩散通过一种读-写偶联机制（read-and-write）来实现：H3K27me3修饰阅读蛋白识别已存在的H3K27me3（read），招募PRC2复合体对相邻的未修饰核小体进行H3K27me3催化（write）。然而，这种read-and-write机制仍然存在一个长期的未解之谜：PRC2如何在空间上接触未修饰的核小体，以便行使writer功能，将H3K27me3修饰从成核区核小体复制到扩散区未修饰的核小体上。

2024年9月3日，中山大学李陈龙课题组在Molecular Cell杂志发表题为PICKLE-mediated nucleosome condensing drives H3K27me3 spreading for the inheritance of Polycomb memory during differentiation的研究论文。该研究发现模式植物拟南芥CHD3家族染色质重塑蛋白PICKLE (PKL) 可通过染色质重塑酶ATPase活性调节核小体密度特异性促进H3K27me3的扩散。

以往研究表明PKL突变会导致拟南芥幼苗主根根尖出现膨大结构，称为“pickle root”，其中关键种子成熟基因LEAFY COTYLEDON 2 (LEC2)出现异位表达【2，3】。研究人员通过对发育中的种子和不同天数幼苗的ChIP-seq数据分析发现LEC2的第一个外显子（Exon 1）为H3K27me3成核区。与野生型WT相比，pkl突变体中H3K27me3信号在Exon 1成核区保持不变，而在两侧扩散区大幅减少，导致LEC2在pkl 突变体中异位表达。进一步在全基因组范围内鉴定到2,037个扩散依赖于PKL的H3K27me3靶基因（PKL-dependent genes），并且发现H3K27me3覆盖越宽的基因在PKL缺失后的扩散丢失越敏感。进一步证据表明 PKL直接富集在PKL-dependent基因的扩散区，而在成核区没有结合信号，且PKL的SANT-SLIDE蛋白结构域对PKL结合到PKL-dependent基因必不可少。因此，这些数据表明PICKLE直接调控H3K27me3的扩散，但不影响其成核。

有研究报道PRC2催化酶CURLY LEAF（CLF）以及H3K27me3 reader蛋白 LIKE HETROCHROMATIN PROTEIN 1（LHP1）参与H3K27me3的扩散过程【4】。遗传证据和分子实验结果表明PKL与CLF/LHP1在促进H3K27me3扩散以维持基因沉默记忆过程处于同一信号途径。PKL通过自身CHROMO结构域与含有CLF的PRC2复合体相互作用，PKL缺失导致CLF在H3K27me3扩散区的富集信号显著减少，而成核区的CLF富集水平则不受影响。

动物中的研究发现致密排布的核小体能刺激PRC2的催化活性【1】，然而，核小体的密度是否影响H3K27me3的扩散仍不清楚。研究人员采用ATAC-seq和MNase-seq实验发现pkl突变体中扩散区的核小体密度显著减小，从而导致PRC2催化酶CLF无法接近扩散区的核小体，同时PKL的ATPase结构域的敲除实验证明PKL对核小体密度的调控是H3K27me3扩散必要前提。

图1. PKL调节核小体密度特异促进H3K27me3的扩散

综上，该研究报道了植物中调控H3K27me3扩散的特异因子。CHD3家族染色质重塑蛋白PKL通过自身染色质重塑功能调节核小体密度使其在DNA链上正确排布，从而在空间上可被PRC2催化酶接触，完成H3K27me3在扩散区的建立。该机制帮助基因沉默状态的维持，确保了细胞分裂过程中沉默记忆从亲代到子代细胞的稳定传递。鉴于CHD3家族染色质重塑蛋白的保守性，在作物中也可能存在类似机制，因此，本研究的发现将为通过表观遗传途径改良作物提供重要的理论依据。

中山大学生命科学学院李陈龙教授为该论文的唯一通讯作者，李陈龙课题组梁振威博士、朱涛博士和俞尧光博士为论文共同第一作者。中山大学生命科学学院为第一作者单位。感谢加拿大农业部崔玉海对本研究提供的帮助。感谢中科院植物所林荣呈研究员为本课题提供的相关抗体支持。该研究得到了国家自然科学基金面上项目，国家自然科学基金青年项目，广东省基础与应用基础研究联合基金，以及中央高校基本科研业务费的资助。

中山大学李陈龙课题组长期从事高等植物发育与基因表达的表观遗传调控机制研究，围绕染色质重塑和组蛋白修饰的分子调控机理进行系统探索。近5年的工作揭示了染色质重塑对组蛋白修饰H3K27me3扩散的分子调控机制（Molecular Cell, 2024）；发现了3个植物SWI/SNF亚复合体和调控植物SWI/SNF染色质重塑复合体稳态和靶基因识别的5个新亚基（Nature Plants, 2020; Molecular Plant, 2021；Plant Cell, 2023）；阐明了CHD3家族染色质重塑酶识别靶基因的广谱植物特异机制和独立于先前报道的PRC2复合体靶基因识别通路（Plant Cell, 2022; Nucleic Acids Research, 2021）；阐明了SWI/SNF复合体活性调节的分子机制及其在植物幼年向成年转型的生物学意义（Nature Communications, 2024）；发现了BAS染色质重塑亚复合体决定油菜素内酯激活基因转录的能力（Developmental Cell, 2024）。这些发现不但为解析植物生殖与发育的表观调控普遍原理提供了重要线索和新的研究方向，也为利用表观遗传途径进行农作物的分子设计育种提供了必要的理论支撑和基因资源。

参考文献：

1. Yuan, W., Wu, T., Fu, H., Dai, C., Wu, H., Liu, N., Li, X., Xu, M., Zhang, Z., Niu, T. et al. (2012). Dense chromatin activates Polycomb repressive complex 2 to regulate H3 lysine 27 methylation. Science 337, 971-975.

2. Ogas, J., Cheng, J.C., Sung, Z.R. & Somerville, C. (1997). Cellular differentiation regulated by gibberellin in the Arabidopsis thaliana pickle mutant. Science 277, 91-94.

3. Zhang, H., Bishop, B., Ringenberg, W., Muir, W.M. & Ogas, J. (2012). The CHD3 remodeler PICKLE associates with genes enriched for trimethylation of histone H3 lysine 27. Plant Physiol. 159, 418-432.

4. Yang, H., Berry, S., Olsson, T.S.G., Hartley, M., Howard, M. & Dean, C. (2017). Distinct phases of Polycomb silencing to hold epigenetic memory of cold in Arabidopsis. Science 357, 1142-1145.

论文链接：

https://www.cell.com/molecular-cell/abstract/S1097-2765(24)00692-0