Nature | 组蛋白泛素化是控制染色质遗传的全新机制

撰文|李淡宁

异染色质以组蛋白 H3 赖氨酸 9 甲基化（H3K9me）为标记，可通过细胞分裂进行表观遗传 遗传 ，维持基因沉默，从而保持细胞身份并使细胞能够适应环境变化。裂殖酵母 ( Schizosaccharomyces pombe ) 是研究异染色质扩散的理想遗传学系统，其Clr4 是果蝇 Su(var)3 - 9 和哺乳动物 SUV39H 的同源物，能够甲基化组蛋白 H3 的赖氨酸 9（H3K9）。Clr4 SUV39H 通过其染色质结构域（r ead, “ 读 ” ）结合预先存在的 H3K9 三甲基化（H3K9me3）标记的核小体，并催化进一步的 H3K9 甲基化（w rite, “ 写 ” ）。对裂殖酵母的研究表明，异染色质的扩散依赖于“读-写”机制，即在组蛋白去乙酰化酶稳定下，具有足够密度的 H3K9me3 修饰核小体可将 Clr4 SUV39H 富集于染色质上，促进 H3K9 甲基化的进一步沉积。然而，是否存在其他机制通过 Clr4 SUV39H （一种 E3 泛素连接酶复合物 ClrC 的亚基）调控异染色质扩散尚不清楚。

近日， 来自美国马里兰州，国立卫生研究院，国家癌症研究所生物化学与分子生物学实验室 Shiv I. S. Grewal 团队，在Nature杂志上, 发表了题为Stress controls heterochromatin inheritance via histone H3 ubiquitylation的文章，报道了改团队发现了一个依赖泛素的异染色质遗传调控枢纽（HRH），它广泛调控异染色质的扩散，即使在缺乏组蛋白去乙酰化酶活性的情况下亦然。该 HRH 由限量因子 Raf1 DDB2 调节，Raf1 DDB2 是 ClrC 泛素连接酶的底物识别受体。除将 Clr4 SUV39H 与染色质上的其他 ClrC 组分连接外，Raf1 DDB2 还以剂量依赖的方式促进组蛋白 H3 赖氨酸 14 的泛素化（H3K14ub），这一修饰对于异染色质自我扩散至关重要。

裂殖酵母ClrC 复合体在结构上类似于 CUL4-DDB1-DDB2 E3 泛素连接酶复合物。除了 Clr4 SUV39H 甲基转移酶外，ClrC 还包括 WD-40 蛋白 Raf1、锌指蛋白 Raf2、β-螺旋蛋白 Rik1 以及 Cullin 家族蛋白 Cul4。Rik1 与人类 DDB1 高度相似，DDB1 与 CUL4 共同参与组蛋白甲基化。Raf1 类似于人类 DDB2，可能是一种 DCAF（DDB1 和 CUL4 相关因子），作为 E3 泛素连接酶的底物受体。Raf1 具有两个保守的 WDxR 基序（残基 515–518 和 573–576）。为了研究 Raf1 中 WDxR 基序的功能，本文研究人员构建了 raf1 R518H 和 raf1 R576H 等位基因，并使用敏感的 REIIΔ mat2P::ura4+ 报告基因评估 mat 区域的异染色质沉默。结果表明，raf1 R518H 和 raf1 R576H 均表现出 mat2P::ura4+ 沉默丧失，然而，它们对插入于 cenH 核化位点的 ura4+（Kint2::ura4+）沉默的影响不同。raf1 R518H 的 Kint2::ura4+ 表现出严重的沉默缺陷，整个 mat 区域的 H3K9me3 丧失；而 raf1 R576H 细胞的 Kint2::ura4+ 仅受轻微影响。值得注意的是，raf1 R576H 在 cenH 核化中心附近仍保持 H3K9me3，但无法将其扩散到周围序列。

接下来，研究人员进行了无偏倚的遗传筛选分析。结果显示，三个抑制突变重新建立了沉默，两个突变定位于 esl1（也称 ebs1），一个突变定位于 upf1。Upf1 和 Esl1 是 无义介导降解（ nonsense-mediated decay, NMD） 通路的组分。染色质免疫沉淀测序（ChIP–seq）显示， raf1 R576H upf1Δ 和 raf1 R576H esl1Δ 细胞中，沉默 mat 区域的 H3K9me3 和 Swi6 HP1 水平增加，在亚端粒区异染色质扩散也出现类似增强。表明，缺失 NMD 组分可以恢复 raf1 R576H 的异染色质扩散缺陷。进一步结果表明，raf1 是一个真正的 NMD 靶基因，参与调控异染色质扩散。接着，研究人员探究了 Raf1 丰度如何影响 H3K9me3 以及异染色质扩散。结果表明，Raf1 水平升高可稳定并延长 ClrC 与染色质的结合，使该组蛋白甲基转移酶和泛素连接酶复合物在局部富集，从而最终增强驱动异染色质扩散的“读-写”活性。

鉴于ClrC 可在组蛋白 H3 的赖氨酸 14 位点进行单泛素化（H3K14ub），该修饰在体外可增强 Clr4 SUV39H 的甲基转移酶活性， 然而其在体内的生理意义尚不明确 。研究人员用抗 H3K14ub 抗体进行 ChIP–seq 分析，对 H3K14ub 进行全基因组定位。结果证明H3K14ub 是一种显著的异染色质标记，其沉积依赖 DCAF 蛋白 Raf1。与先前的报道结果 （ 详见BioArt报道： ） 遥相呼应。更进一步的分析结果鉴定出 Raf1 介导的 ClrC 染色质结合和 H3K14ub 调控，是一种此前未被认识的、支持异染色质维持与扩散的机制 。 提高 Raf1 丰度、增强 ClrC 与染色质结合，足以支持异染色质的自我扩散。

随其后，研究人员探究了无义介导降解（ nonsense-mediated decay, NMD）与雷帕霉素靶蛋白（TOR）信号通路对Raf1 水平的影响。结果显示，在咖啡因存在时（削弱 NMD 活性），NMD 调控的转录本水平上调，咖啡因处理显著提高了Raf1 水平。同时，缺失 TORC2 复合物亚基 Tor1 会显著降低 Raf1 蛋白和转录本水平。相比之下，其他激酶突变（包括 TORC1 亚基 Tor2）并不影响 Raf1 水平。上述多种输入信号共同汇聚到 Raf1 水平的调控，使 Raf1 成为控制异染色质稳健性和可遗传性的调控枢纽核心组分。

鉴于基于 Raf1 的遗传调控枢纽（ heritability regulatory hub ，HRH） 在异染色质扩散中的核心作用，最后研究人员探究影响 Raf1 表达的因素是否会影响异染色质的表观遗传 遗传 。结果证明，在不同生长条件下对 Raf1 水平的调控构成了真正的异染色质 遗传调控枢纽 。该枢纽通过控制 ClrC 与染色质的结合以及 H3K14ub 水平来调节异染色质稳定性，并在适应环境挑战过程中被细胞利用。

综上所述，本文利用多种酵母模型菌株，多种分析方法，鉴定到了一种此前未被识别的染色质遗传调控机制，即在环境压力，生命体依赖遗传调控枢纽Raf1水平上调介导的组蛋白泛素化，调节染色质遗传遗传。在无义介导降解与雷帕霉素靶蛋白信号通路关联的环境条件，细胞通过利用该机制适应环境的挑战。

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09899-8

制版人： 十一

学术合作组织

（*排名不分先后）

战略合作伙伴

（*排名不分先后）

转载须知

【原创文章】BioArt原创文章，欢迎个人转发分享，未经允许禁止转载，所刊登的所有作品的著作权均为BioArt所拥有。BioArt保留所有法定权利，违者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘

近期直播推荐

点击主页推荐活动

关注更多最新活动！