Nature：张志国团队揭示H3K9me3在DNA复制时的分配机制和生物学意义

组蛋白是构成真核细胞染色质基本单元——核小体的骨架蛋白，其翻译后修饰作为最重要的表观遗传调控元件之一，对染色质结构、基因表达和DNA损伤修复等生物学过程都发挥着关键调节作用。携带特定修饰的亲本组蛋白属于表观遗传信息最重要的载体，然而，目前对其在细胞分裂和DNA复制时是如何准确传递到子代细胞中的过程知之甚少。此外，现已探明的组蛋白修饰超过百种，这些不同的修饰是否遵循同样的分配机制亦是完全未知。

H3K9me3作为真核细胞内最重要的抑制性组蛋白修饰，对于抑制基因组内广泛存在的重复序列和维持基因组稳定性是至关重要的。然而，在DNA复制时其在新合成DNA链的分配模式及遗传机制则尚不清楚。

2023年11月8日，哥伦比亚大学欧文医学中心张志国课题组（李治明和段守富为第一作者）在之前的研究基础上，在国际顶尖学术期刊 Nature 上发表了题为：Asymmetric distribution of parental H3K9me3 in S phase silences L1 elements 的研究论文，该研究首次揭示了H3K9me3在DNA复制时的分配机制和生物学意义。

一直以来，科学界猜想亲代组蛋白在DNA复制过程中如何被随机平均分配到新合成的子链—前导链和滞后链上形成核小体, 和新合成组蛋白形成核小体, 组装成子代染色质, 以确保表观遗传信息在亲子代间的准确传递。然而，受制于技术手段，这一假说多年未得到确切验证，其中的分子机制也处于完全未知的状态。近年来，在张志国课题组和其他实验室的努力下，这一过程得以被逐步解密（Science 2018，Mol Cell 2018，Sci Adv 2020，Nat Protoc 2021，Nat Commun 2022，Sci Adv 2022等）。其新开发的eSPAN技术，巧妙地结合了当前热门的CUT&Tag技术和BrdU免疫沉淀，可以准确地测量组蛋白及其修饰在前导链和滞后链上的相对分布。

基于这一方法，研究团队对细胞内常见的十多种组蛋白修饰的分配模式进行了筛查。绝大多数组蛋白修饰呈现出与之前报道相符的分配模式，即在两条新合成链之间呈现出对称性分布。然而，令人惊讶的是，H3K9me3显现出非常独特的分配模式，显著富集于前导链上。这一现象在多种不同的哺乳动物细胞中或者使用多种不同来源的H3K9me3抗体时都被观测到，表明H3K9me3分配模式具有重复可靠性和高度保守性。

接下来，研究团队对这一现象进行了深入探索。通过生物信息学分析，作者们发现，H3K9me3的不对称分配主要发生在长散在重复序列（long interspersed nuclear elements，简称LINE或L1），尤其是转录方向与DNA复制方向相反的L1序列。L1作为丰度最高的转座元件，其序列占人类基因组的17%左右，并广泛分布在包括常染色质和异染色质的各个区域。进一步分析显示，受H3K9me3不对称分配影响的L1序列具有进化时间更短，序列更长及完整等特征，而之前有报导这些L1都受到HUSH（human silencing hub）复合物的调节。作者通过敲除该复合物的不同亚基，最终确定H3K9me3不对称分配受到HUSH复合物的调控。

然而，HUSH复合物亚基的敲除只是部分降低了H3K9me3的不对称性，且不能解释其对前导链的独特倾向性。为此，作者们进一步探寻其他可能存在的调节因子。之前的研究表明，前导链DNA聚合酶Pol ε参与了亲代组蛋白向前导链的转运。通过对其非必需亚基POLE3/4的敲除，作者证实Pol ε也参与了H3K9me3的转运。作者们进一步推测Pol ε与HUSH存在某种相互作用，共同主导了H3K9me3的不对称分配过程。免疫共沉淀和体外结合实验证实Pol ε和HUSH复合物存在直接相互作用，并且对互作区域的突变显著降低了H3K9me3的不对称性。这些数据表明，H3K9me3的不对称分配受到了HUSH复合物和Pol ε的共同调节，二者相互作用，确保了H3K9me3在分配时对L1的特异性和对前导链的偏向性。

H3K9me3的不对称分配随着细胞周期的进展而动态变化，并在复制期达到最大，因此作者们推测H3K9me3的不对称性分配在复制期发挥着某种调节作用。通过GRO-seq捕捉新生成的RNA水平，作者发现L1的表达水平在复制期有所降低，这暗示复制过程中产生的H3K9me3不对称性分配可能发挥着某种抑制L1表达的作用。作者进而分析了所有影响H3K9me3不对称分配的突变细胞，并发现L1的表达都有不同程度的上升。在正常细胞内，L1处于高度抑制状态，因为其异常表达往往伴随着L1的转座和基因组不稳定。然而在POLE4或MPP8敲除的细胞中，L1激活的程度和H3K9me3不对称性下降的程度具有显著的相关性。通过对公开数据的分析，作者发现L1插入基因组和H3K9me3分配的链偏向性高度一致。运用L1转座的模型，作者证实影响H3K9me3不对称分配的突变都在不同程度上引起了L1转座能力提高，并最终导致了基因组不稳定。上述结果表明，H3K9me3在DNA复制时的不对称分配有效地抑制了L1的表达和转座活性，从而维持了基因组的稳定性。

综上所述，该研究揭示了H3K9me3在DNA复制时的分配机制和全新的L1调控机制。这一机制可能是细胞为应对复制时H3K9me3受新合成组蛋白的掺入而被稀释的临时应对方法，最大程度地利用了H3K9me3的抑制功能，使得复制期本就易受损伤的染色质受到保护，属于重大概念性突破。然而，这一模型仍有一些疑问。如不对称性分布的H3K9me3如何抑制L1的表达，其链特异性如何实现，这些都需要后续研究进一步探索。

哥伦比亚大学肿瘤遗传研究所张志国教授为论文通讯作者，课题组博士后李治明和段守富博士为该文共同第一作者。哥伦比亚大学路超、查珊和Stephen Goff课题组为该论文做出了重要贡献。

哥伦比亚大学张志国课题组长期从事表观遗传学研究，并在DNA复制时表观遗传信息的传递和肿瘤表观遗传调控的研究中颇有建树。实验室成立以来，在 Nature、Science、Cell、Molecular Cell 和 Cancer Discovery 等众多国际顶级学术期刊发表论文数十篇，在领域内具有较强的影响力。其培养的学生博士后多人已在国内外多所高校研究所成立实验室，包括北京大学、浙江大学和中科院等。实验室位于学术氛围浓厚的纽约曼哈顿岛，目前经费和课题充足，现招聘有志于在表观遗传学或肿瘤表观遗传领域施展拳脚的优秀青年加入。应聘者须已获得或将获得生物或医学相关博士学位，能独立开展相关科研课题，具有分子生物学、肿瘤生物学、蛋白纯化、结构生物学、基因组与生物信息学相关背景的同学优先。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06711-3

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