引言

真核生物的细胞核是一个高度有序的场所，首先染色质在细胞核内并非杂乱无章的排列，而是存在于相对特定的区域；其次染色质通常来说可以分为异染色质和常染色质，常染色质因其开放的状态允许转录因子的结合使得基因得以表达，而异染色质由于紧密的核小体组装和相关蛋白的结合阻止了基因的表达。常染色质和兼性异染色质在不同的细胞和发育阶段是可以相互转换的，染色质状态的转换依赖于特定的染色质结合因子的调控，例如Polycomb家族蛋白、组蛋白去乙酰化酶（HDACs）、组蛋白乙酰基转移酶（HATs）和组蛋白甲基转移酶等。Clr3是一种II类HDACs，在酵母的异染色质转录沉默中发挥关键作用。Clr3通过与Snf2形成SHREC复合物，通过HP1依赖和非依赖的机制被导向异染色质，从而选择性地去乙酰化H3K14【1-3】。高水平的Clr3与异染色质结合，防止组蛋白周转（turnover），有助于维持H3K9me3密度阈值，支持异染色质表观遗传抑制的形成【4】。尽管Clr3去乙酰化功能在稳定核小体、引发异染色质转录沉默以及传递表观遗传信息中的重要性已被广泛研究，但是其抑制组蛋白周转的具体机制仍不明确。

近日，来自美国国立卫生研究院的Shiv I.S. Grewal在Molecular Cell上发表了论文Nucleosome remodeler exclusion by histone deacetylation enforces heterochromatic silencing and epigenetic inheritance。在本研究中，作者细致的探讨了组蛋白去乙酰化酶、染色质重塑因子、组蛋白甲基转移酶等在调控异染色质稳定性和核小体周转中的作用，其中异染色质区域的高水平HDACs可维持组蛋白低乙酰化，从而确保稳定的基因沉默和表观遗传，但当HDAC功能出现缺陷后，SWI/SNF等重塑因子通过抑制组蛋白甲基转移酶的功能来破坏异染色质的稳定性，改写基因沉默的状态。

前期研究发现缺乏Clr3的HDAC活性导致组蛋白周转增加，进而降低H3K9me3水平并影响异染色质的延伸。由于染色质重塑复合物参与核小体的去组装，因此作者推测这些因子可能介导了Clr3缺失导致的异染色质不稳定。为了验证这一推测，作者在clr3D232N缺陷酵母中分别突变了几种重要的染色质重塑因子。研究发现，RSC和SWI/SNF的亚基被突变后，可以恢复由Clr3缺陷导致的基因表达变化，基因沉默得到明显增强，H3K9me3的结合和延伸均恢复至正常状态。这些结果表明，在缺失Clr3去乙酰化酶功能的情况下，RSC和SWI/SNF重塑因子会破坏异染色质的稳定性。接下来，作者研究了Clr3存在的情况下是如何阻止RSC和SWI/SNF重塑因子对异染色质稳定性的破坏。研究结果表明，组蛋白乙酰化可以作为重塑因子的结合信号，促进RSC和SWI/SNF接近异染色质区域，但是当Clr3存在时，它的HDAC活性有效的去除了异染色质区域的组蛋白乙酰化水平，因此阻止了染色质重塑因子对异染色质区域的结合。此外，作者还发现SWI/SNF和RSC对于Clr3缺陷介导的组蛋白周转增加也至关重要。组蛋白乙酰化水平是由HATs和HDACs的活性动态调控的，因此作者进一步研究了HATs在上述发现中的作用。研究发现，将组蛋白乙酰基转移酶Mst2与chromodomain融合表达靶向结合在异染色质区域，可以增强染色质重塑因子对异染色质区域的结合，并且抑制异染色质修饰H3K9me3在Mst2结合区域的延伸。这些结果表明HATs增加了组蛋白乙酰化的水平，从而促进了染色质重塑因子诱导的异染色质不稳定性。为了更加证实SWI/SNF重塑因子的作用，研究人员利用同样的方法将SWI/SNF重塑因子的两个亚基靶向结合在异染色质区域。结果表明，虽然HATs有助于靶向重塑因子以破坏异染色质的稳定性，但这种作用可以通过直接将SWI/SNF靶向结合在异染色质区域而被绕过，SWI/SNF可以破坏核小体的稳定性，从而导致H3K9me3水平和基因沉默的缺失。文章的最后，作者探究了染色质重塑因子是如何影响异染色质的表观遗传和延伸的。通过引入TetR-Clr4（组蛋白甲基转移酶）和CAS序列在异位建立异染色质区域，然后使用Cre-lox系统表达不同形式的SWI/SNF亚基Snf5。研究结果表明，表达靶向异染色质的Snf5会阻碍异染色质的表观遗传信息传播，而这是通过抑制Clr4的读写机制影响了H3K9me3修饰的延伸。模式图（Credit: Molecular Cell）

参考文献

1. Sugiyama, T., Cam, H.P., Sugiyama, R., Noma, K., Zofall, M., Kobayashi, R., and Grewal, S.I.S. (2007). SHREC, an effector complex for heterochromatic transcriptional silencing. Cell 128, 491–504.2. Bjerling, P., Silverstein, R.A., Thon, G., Caudy, A., Grewal, S., and Ekwall, K. (2002). Functional divergence between histone deacetylases in fission yeast by distinct cellular localization and in vivo specificity. Mol. Cell. Biol. 22, 2170–2181.3. Wire ́ n, M., Silverstein, R.A., Sinha, I., Walfridsson, J., Lee, H.M., Laurenson, P., Pillus, L., Robyr, D., Grunstein, M., and Ekwall, K. (2005). Genomewide analysis of nucleosome density histone acetylation and HDAC function in fission yeast. EMBO J. 24, 2906–2918.4. Ayg€ un, O., Mehta, S., and Grewal, S.I.S. (2013). HDAC-mediated suppression of histone turnover promotes epigenetic stability of heterochromatin. Nat. Struct. Mol. Biol. 20, 547–554.https://doi.org/10.1016/j.molcel.2024.07.006

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文章来源|“BioArt”

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