压力会悄悄改变细胞记忆？Nature最新揭示应激通过组蛋白H3泛素化调控异染色质遗传机制

异染色质是一种“沉默”的染色质状态，靠组蛋白H3第9位赖氨酸的甲基化（H3K9me）来标记并能在细胞分裂中传给后代，帮助细胞稳定身份、关闭不需要的基因，还能应对环境压力。

基于此，2026年1月7日，美国国立卫生研究院国家癌症研究所Shiv I. S. Grewal研究团队在《Nature》杂志发表了“Stress controls heterochromatin inheritance via histone H3 ubiquitylation”揭示了应激通过组蛋白H3的泛素化调控异染色质的遗传。

本研究揭示了一个依赖泛素化的“异染色质遗传调控枢纽”（HRH），其核心因子Raf1作为ClrC泛素连接酶的底物受体，通过剂量依赖性促进组蛋白H3K14泛素化（H3K14ub）驱动异染色质的自我传播，即使在缺乏组蛋白去乙酰化酶活性时仍有效。HRH与NMD、TOR等环境响应通路相连，使细胞能通过增强异染色质传播来适应高温或获得抗真菌药物耐药性。该发现表明，异染色质的维持可被外界信号主动调控，为理解表观遗传在生理和疾病中的快速重塑提供了新机制。

图一 NMD组分的缺失可挽救异染色质扩散缺陷

裂殖酵母中的ClrC复合物类似于人类的CUL4–DDB1–DDB2泛素连接酶，其中Raf1是类似DDB2的底物受体，含有两个保守的WDxR基序。为研究其功能，作者构建了两个Raf1点突变株（raf1ᴿ⁵¹⁸ᴴ 和 raf1ᴿ⁵⁷⁶ᴴ）并用一个灵敏的报告系统检测异染色质沉默效果。

结果显示：两个突变都完全丧失对远端mat区域（REIIΔ）的沉默能力，细胞在碘蒸气下呈深棕色（表示异常减数分裂）且ura4+报告基因去抑制；但在靠近成核位点cenH的位置（Kint2::ura4+），raf1ᴿ⁵¹⁸ᴴ 导致整个mat区H3K9me3大幅下降，而 raf1ᴿ⁵⁷⁶ᴴ 仍能在cenH附近维持H3K9me3，却无法将其扩展到邻近区域，说明该突变特异性破坏异染色质“传播”，而非“起始”。为找出能修复这一缺陷的因子，作者进行了遗传筛选，发现三个抑制突变均位于无义介导的mRNA降解（NMD）通路基因（upf1 或 esl1/ebs1）。敲除upf1或esl1后，raf1ᴿ⁵⁷⁶ᴴ的沉默缺陷被明显挽救：H3K9me3和Swi6（HP1同源物）在mat区和亚端粒区域重新积累，但着丝粒区域不受影响（因其依赖RNAi通路，不依赖Raf1传播）。

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Raf1的特定结构域（R576位点）对异染色质的扩展至关重要；当它受损时，抑制NMD通路可恢复异染色质传播，揭示了mRNA质量监控通路与表观遗传调控之间的意外联系。

图二 NMD机制调控ClrC亚基Raf1的表达

为弄清为什么抑制NMD通路能修复raf1ᴿ⁵⁷⁶ᴴ突变导致的异染色质传播缺陷，作者首先排除了“NMD缺失增强RNAi”的可能性，因为即使在没有RNAi关键因子Ago1的情况下，沉默功能仍能恢复且小RNA水平未增加。

进一步研究发现：raf1 mRNA本身是NMD通路的直接靶标。

raf1 mRNA含有一个隐蔽、剪接效率低的内含子，容易被NMD识别并降解；在NMD缺陷（如upf1Δ）细胞中，raf1 mRNA和Raf1蛋白水平显著升高；RNA免疫沉淀证实Upf1直接结合raf1 mRNA；不仅raf1ᴿ⁵⁷⁶ᴴ突变体，连野生型raf1的表达也受NMD抑制，说明raf1是NMD的天然调控对象。

更关键的是，raf1ᴿ⁵⁷⁶ᴴ突变本身并不破坏Raf1的功能，而是导致其mRNA不稳定、蛋白表达量降低。当通过外源过表达将Raf1ᴿ⁵⁷⁶ᴴ蛋白提升到正常水平时，异染色质沉默和H3K9me3扩展完全恢复，效果与过表达野生型Raf1相当。

此外，筛选还发现另一个剪接因子突变sap49ᴬ¹⁷⁵ⱽ也能上调Raf1表达并挽救异染色质缺陷，提示剪接效率影响raf1 mRNA稳定性并与NMD协同调控Raf1丰度。

NMD通路通过降解含隐蔽内含子的raf1 mRNA，限制Raf1蛋白水平；而Raf1剂量直接决定异染色质能否有效传播。因此，NMD并非间接影响表观遗传，而是通过精准调控Raf1这一关键因子的表达，成为异染色质动态调控的重要开关。

图三 Raf1剂量通过H3K14泛素化调控异染色质传播

作者发现，Raf1是调控异染色质传播的关键剂量依赖性因子。作为ClrC泛素连接酶复合物的底物受体，Raf1通过其WD结构域直接结合Clr4（SUV39H同源物）促进Clr4整合入复合物，并增强ClrC在染色质上的稳定结合与驻留时间。

提高Raf1水平（如过表达或敲除NMD通路）不仅增加ClrC焦点数量和强度，还显著提升组蛋白H3第14位赖氨酸的单泛素化（H3K14ub）。ChIP-seq显示，H3K14ub特异性富集于所有主要异染色质区域且完全依赖Raf1；而该修饰可激活Clr4的甲基转移酶活性，驱动H3K9me3的积累与扩散。

进一步实验表明，当泛素结合酶Ubc4突变（ubc4-1）导致H3K14ub缺失时，尽管H3K9me3可在成核位点起始却无法向外扩展，基因沉默失效且Raf1过表达也无法挽救。这证明H3K14ub是“读取-写入”循环中不可或缺的激活信号。

综上，Raf1通过组装ClrC复合物和催化H3K14ub双重机制驱动异染色质传播，其表达受NMD通路调控，使细胞能动态适应环境变化。

图四 Raf1作为DCAF介导的H3K14泛素化揭示了一条异染色质传播的新通路

异染色质通常需要Clr3这种“去乙酰化酶”来维持稳定，它通过清除H3K14上的乙酰基，帮助保留足够的H3K9甲基化（H3K9me3），让沉默信号能持续传递。一旦缺失Clr3，异染色质就“散架”基因沉默失效。

但作者发现，只要提高Raf1的量（比如关闭NMD通路或人为过表达）就能“绕过”Clr3的缺失：不仅恢复关键的H3K14泛素化（H3K14ub），还让H3K9me3重新铺满整个沉默区域，使基因再次被有效关闭。

这种修复不靠抑制已知的“抗沉默因子”Epe1，而是一条全新路径。更重要的是，在多种不同原因导致的异染色质缺陷中（如组蛋白突变、染色质重塑因子缺失等），提升Raf1都能“救场”。

最有力的证据来自一个巧妙实验：科学家先用人工方法在特定基因上“种下”沉默标记，然后撤掉人工工具。正常细胞很快失去沉默；但Raf1水平高的细胞，却能把沉默状态稳定传给后代，说明Raf1增强了异染色质的“自我复制”能力。

通俗说：Raf1就像给异染色质装上了“自动巡航”系统，即使缺少传统维护工具（如Clr3），只要Raf1够多，沉默信号也能自己延续下去。

总结

这项研究揭示，HRH通路通过Raf1和H3K14泛素化，为异染色质装上了“环境感应器”。从真菌抗药到植物抗旱，再到哺乳动物应对压力与疾病，这一机制可能是生命在多变世界中快速适应的通用表观遗传“快捷键”。

文章来源

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09899-8

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