李海涛组发现Spindlin1识别组蛋白H3“K4me3-K9me3/2”二价修饰调控异染色质区基因表达

在基因的表观遗传调控中，不同位点不同类型的组蛋白修饰通常代表了不同的基因调控事件。组蛋白修饰H3K4me3常与基因的活跃转录相关，而组蛋白修饰H3K9me3和H3K27me3则与基因沉默相关，虽然两种组蛋白修饰的基因组分布很不相同，但在特定基因表达状态切换的特殊时期两种修饰存在基因组上的共定位。

H3K4me3和H3K27me3在胚胎干细胞的基因组中存在共定位，这些二价修饰的基因组区域使发育关键基因处于蓄势待发的“暂停”状态，以便快速响应外界的分化信号(1)。另有文献报道，组蛋白修饰H3K4me3和H3K9me3在滋养层干细胞（trophoblast stem cell，TSC）和胚外内胚层干细胞（extraembryonic endoderm stem cell，XEN）的基因组上存在共定位并介导发育关键基因表达“暂停”状态(2)，尽管二价修饰所介导的基因调控事件非常重要，但这一过程中的下游效应因子还很不清楚。

近日，清华大学结构生物学高精尖创新中心李海涛课题组针对此问题在Journal of Biological Chemistry杂志发表了最新研究成果：“Molecular basis for histone H3 “K4me3-K9me3/2” methylation pattern readout by Spindlin1”。这项工作发现Spindlin1可以以超强亲和力识别组蛋白二价修饰H3“K4me3-K9me3/2”,复合物晶体结构表明，组蛋白修饰H3K4me3和H3K9me3/2可以同时被Spindlin1第二个和第一个Tudor结构域芳香笼识别。该识别事件使下游基因表达处于一个“暂停”状态，以便使基因快速激活或沉默，这一过程可能在胚胎发育早期细胞命运决定的关键基因以及对外界营养状态敏感的rDNA基因的表达调控中发挥重要作用。

研究人员首先利用ITC技术体外测得Spindlin1对于H3“K4me3-K9me3”多肽的亲和力为16nM，是目前已知的Spindlin1对各种组蛋白甲基化多肽的亲和力中最强的一个。Spindlin1-H3“K4me3-K9me3/2”复合物结构表明，H3K4me3和H3K9me3/2分别被Spindlin1的第二个和第一个Tudor结构域识别。进一步的突变体实验表明，第二个Tudor结构域对H3K4me3的识别主导了该结合事件，第一个Tudor结构域对H3K9me3/2的识别进一步增强了Spindlin1与组蛋白之间的相互作用。

体外结合实验表明，其它H3K4me3的“阅读器”对于H3K4me3的解离常数在微摩水平，且H3K9me3的存在会进一步减弱其亲和力，相比之下，H3K9me3不仅不会减弱反而增强Spindlin1对组蛋白H3的亲和力。ChIP-Seq实验表明Spindlin1与H3“K4me3-K9me3”修饰存在两种共定位模式，Spindlin1 与二价修饰集中分布于基因的启动子区域，另一方面，Spindlin1可以识别H3K9me3广泛存在的基因组区域中的H3K4me3，表明Spindlin1是一个异染色质的H3K4me3的“阅读器”。值得一提的是，超过40%的共定位基因参与了基因转录调控过程，这些基因包括锌指蛋白，表观遗传酶和效应因子等，另外其它共定位基因包括非编码RNA和rDNA基因等。

Spindlin1识别组蛋白二价修饰介导基因表达“暂停”状态

在胚胎早期发育细胞命运决定时期，H3K9me3介导的异染色质是细胞实现基因组重编程的主要“能垒”(3)，研究人员认为，基因组重编程过程中，H3K9me3/2广泛存在的异染色质区域可以被H3K4甲基转移酶加上H3K4me3修饰(4)，此时，组蛋白二价修饰H3“K4me3-K9me3/2”可以有效招募Spindlin1，进而使下游基因表达处于“暂停”状态，以便快速响应外界细胞分化或代谢信号。

综上所述，该工作首次鉴定到Spindlin1是异染色质区域的H3K4me3的“阅读器”，识别组蛋白双修饰H3“K4me3-K9me3/2”。这一识别事件可能在胚胎发育早期细胞分化的关键基因和细胞核仁中rDNA基因的表达调控过程中发挥重要作用。

据悉，本研究在清华大学医学院完成。李海涛教授为通讯作者，赵帆博士为第一作者。清华大学张奇伟课题组的刘雨楠同学完成了ChIP-Seq实验数据分析工作。其中，苏晓楠博士，宋雨桐同学对本工作有重要贡献。该研究工作得到了清华大学高军涛教授，NIH糖尿病研究所戈凯教授和Ji–Eun Lee博士的大力支持。同时，该课题也得到了上海同步辐射光源和清华大学X-ray晶体学平台的大力协助。