醫(yī)學(xué)院李海濤課題組《自然》發(fā)表合作論文揭示哺乳動(dòng)物基因組6mA修飾調(diào)控染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與... 時(shí)間：2020-07-25
2020年7月23日，《自然》雜志正式發(fā)表醫(yī)學(xué)院李海濤課題組和耶魯大學(xué)蕭琢（Andrew Z. Xiao）實(shí)驗(yàn)室題為“N6-methyladenine in DNA antagonizes SATB1 in early development”（DNA N6-甲基腺嘌呤（6mA）在早期發(fā)育過程中拮抗SATB1）的合作文章。該論文發(fā)現(xiàn)DNA 6mA修飾可以拮抗基因組組織蛋白SATB1在SIDD（壓力誘導(dǎo)的DNA雙螺旋失穩(wěn)）區(qū)結(jié)合，從而調(diào)控染色質(zhì)結(jié)構(gòu)并影響早期胚胎發(fā)育。
圖1? DNA 6mA修飾拮抗SATB1調(diào)節(jié)早期發(fā)育
? ? ?6mA修飾是近年來(lái)在哺乳動(dòng)物基因組中鑒定出的新型DNA甲基化修飾，被稱為基因組第九堿基，但其豐度、分布和產(chǎn)生方式等在領(lǐng)域內(nèi)仍存爭(zhēng)議，亟需深入細(xì)致的機(jī)制性研究突破。
2016年，耶魯大學(xué)干細(xì)胞中心的蕭琢教授首次在Alkbh1缺陷型小鼠胚胎干細(xì)胞中鑒定出DNA 6mA的存在，并發(fā)現(xiàn)其對(duì)轉(zhuǎn)座元件如LINE-1的表觀沉默功能（Wu et al，Nature 2016）。2018年，蕭琢實(shí)驗(yàn)室與加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校（UCSD）的Jeremy Rich實(shí)驗(yàn)室合作發(fā)現(xiàn)人類神經(jīng)膠質(zhì)瘤干細(xì)胞基因組中有著豐富的6mA修飾，參與癌癥的發(fā)展，因此靶向ALKBH1有望成為治療神經(jīng)膠質(zhì)瘤新策略 （Xie et al，Cell 2018）。李海濤課題組與蕭琢實(shí)驗(yàn)室自2015年就開始了6mA修飾相關(guān)的合作研究。歷經(jīng)數(shù)年積累，今年年初在我國(guó)自己主辦的高影響力學(xué)術(shù)雜志《細(xì)胞研究》（Zhang et al，Cell Res 2020）發(fā)表合作論文，通過系統(tǒng)的生化和復(fù)合物結(jié)構(gòu)解析，發(fā)現(xiàn)ALKBH1偏好催化“鼓泡”狀態(tài)的DNA 6mA修飾，首次揭示哺乳動(dòng)物基因組6mA酶促消除的分子基礎(chǔ)。
基因組容易發(fā)生局部開鏈的“鼓泡”區(qū)域正是AT富集的SIDD區(qū)域。該區(qū)域富含核基質(zhì)附著區(qū)（matrix attachment regions，MARs) DNA基序（motif），可通過介導(dǎo)基因組與核基質(zhì)的相互作用，參與染色質(zhì)高維結(jié)構(gòu)組織，對(duì)轉(zhuǎn)錄、復(fù)制等過程有著重要調(diào)控作用。在這一過程中，圍繞6mA修飾的識(shí)別與催化事件發(fā)揮什么作用？其在早期胚胎發(fā)育過程中有何功能？《自然》發(fā)表的本項(xiàng)工作即圍繞這些科學(xué)問題展開。
由于6mA在小鼠胚胎干細(xì)胞（mES）中豐度較低（百萬(wàn)分之6-7），研究者首先尋找適宜的細(xì)胞培養(yǎng)條件來(lái)提高6mA含量。值得注意的是，在四倍體補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)（tetraploid complementation，4N）中，6mA豐度與不同培養(yǎng)條件下mES的發(fā)育潛力呈正比。也就是說，在傳統(tǒng)的2i（加入ERF和GSK3b抑制劑）條件中（4N陰性），6mA水平顯著降低；而在其他2i條件下（4N陽(yáng)性），6mA的水平則得以保留。mES細(xì)胞培養(yǎng)條件的差異可能是造成不同課題組關(guān)于6mA豐度爭(zhēng)議的原因。mES的發(fā)育潛力與其細(xì)胞重編程狀態(tài)密切相關(guān)，這也提示了6mA在早期發(fā)育過程中的重要作用。
圖2? 基因組6mA的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)及其SIDD分布
隨后，研究者利用胚內(nèi)向胚外組織的干細(xì)胞轉(zhuǎn)分化系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)6mA豐度在小鼠滋養(yǎng)層干細(xì)胞(trophoblast stem cell，TSC)形成過程中有明顯升高，隨后下降（圖2a）。更有意思的是，作者發(fā)現(xiàn)6mA在基因組分布不是隨機(jī)的。通過MAR DNA抽提和質(zhì)譜鑒定發(fā)現(xiàn)6mA修飾富集在核基質(zhì)附著區(qū)DNA，且在轉(zhuǎn)分化進(jìn)程第5天明顯上調(diào)（圖2b）。進(jìn)一步的DNA免疫共沉淀測(cè)序（DIP-seq）發(fā)現(xiàn)6mA主要位于AT含量高的基因間區(qū)域（intergenic regions），比如轉(zhuǎn)座子LINE-1s；特別地，進(jìn)一步分析顯示超過60%的6mA位于SIDD區(qū)（圖2c）。SIDD區(qū)有助于推動(dòng)拓?fù)鋲毫φT導(dǎo)的DNA雙螺旋不穩(wěn)定，對(duì)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的組織有重要作用，包括建立和維持異染色質(zhì)-常染色質(zhì)邊界和DNA的長(zhǎng)距離互作等。其中SATB1是SIDD調(diào)節(jié)蛋白，可以直接結(jié)合MAR基序組織染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)。
?圖3? 基因組6mA拮抗SATB1結(jié)合
那么，6mA是否會(huì)影響調(diào)節(jié)蛋白，比如SATB1，在SIDD區(qū)的結(jié)合呢？確實(shí)，結(jié)構(gòu)分析與結(jié)合實(shí)驗(yàn)顯示在體外條件下，6mA都能顯著的阻礙SATB1對(duì)DNA的結(jié)合（圖3a，3b）。ChIP-seq數(shù)據(jù)分析表明，SATB1的基因組定位與6mA的基因組分布呈現(xiàn)互斥關(guān)系（圖3c），而過表達(dá)6mA去甲基化酶ALKBH1后可以顯著上調(diào)SATB1基因組定位。隨后研究者利用ATAC-seq手段探討染色質(zhì)開放程度與6mA修飾的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)6mA修飾降低位點(diǎn)的染色質(zhì)變得更加開放，異染色質(zhì)區(qū)域也被打開。Alkbh1過表達(dá)后染色質(zhì)可及區(qū)域則會(huì)蔓延過6mA修飾所在的邊界。同時(shí)體內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明過表達(dá)活性Alkbh1而非酶活缺陷Alkbh1可以促進(jìn)滋養(yǎng)層巨細(xì)胞（trophoblast giant cell，TGC）的形成。這說明6mA通過拮抗SATB1維持染色質(zhì)的常染色質(zhì)-異染色質(zhì)邊界，調(diào)控周邊基因的表達(dá)，進(jìn)而影響TSC的形成。
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?
圖4? 6mA調(diào)控小鼠早期胚胎發(fā)育
? ? ??為進(jìn)一步研究6mA在胚胎發(fā)育中的功能，研究者構(gòu)建了ALKBH1缺失的小鼠。雖然ALKBH1缺失的雜合小鼠可以出生，但是純和小鼠卻不能。ALKBH1缺失會(huì)增加胎盤組織6mA修飾水平并抑制TSC向TGC的分化，顯著減少TGC形成（圖4a，4b）。同時(shí)，SATB1的敲除也有與ALKBH1缺失相似的表型，該表型可以被野生型SATB1回補(bǔ)，同時(shí)更能被容忍6mA修飾的SATB1改造突變體有效回補(bǔ)（圖4c），說明6mA主要通過拮抗SATB1結(jié)合發(fā)揮功能。
總的來(lái)說，該研究發(fā)現(xiàn)6mA通過拮抗SATB1在發(fā)育的早期調(diào)節(jié)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，為研究表觀遺傳修飾調(diào)控染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)提供了新的思路，具有重要意義。
清華大學(xué)李海濤教授與耶魯大學(xué)蕭琢教授為文章共同通訊作者，李海濤教授實(shí)驗(yàn)室已畢業(yè)學(xué)生趙帥博士為文章的共同第一作者，李海濤教授實(shí)驗(yàn)室張敏博士參與了本項(xiàng)工作。本項(xiàng)目得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)，科技部重大研究計(jì)劃，北京結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心，北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心，以及清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心的支持。
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2500-9
版權(quán)與免責(zé)聲明：本網(wǎng)頁(yè)的內(nèi)容由收集互聯(lián)網(wǎng)上公開發(fā)布的信息整理獲得。目的在于傳遞信息及分享，并不意味著贊同其觀點(diǎn)或證實(shí)其真實(shí)性，也不構(gòu)成其他建議。僅提供交流平臺(tái)，不為其版權(quán)負(fù)責(zé)。如涉及侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系我們及時(shí)修改或刪除。郵箱：sales@allpeptide.com