Cell： 胸口碎大石背后的细胞分子基础，异染色质软化防止遗传物质受损

来源：iNature

细胞，包括细胞核和染色质，都需要在机械压力下维持功能完整性，从而维持组织稳态。维持功能完整性的核心当然是采取措施保护基因组免受机械力损害，然而其背后的机制尚不清楚。来自University of Helsinki的学者显示这种保护机制体现在两个方面：一方面在细胞层面，是快速的，即通过异染色质的消失引起的核软化和染色质结构的改变来使遗传物质与机械力隔离；另一方面在组织层面，是缓慢的，细胞逐渐出现有规律的方向性从而使机械力到达细胞核之前重新分配机械能。这种组织规模的机械适应通过细胞-细胞接触介导的单独途径起作用，并允许细胞/组织关闭核机械转导以恢复初始染色质状态。该工作确定了染色质通过改变自身的机械状态以保持基因组完整性方面的非常规作用。

上皮组织是承受机械力的元件。尽管组织内机械应力的积累会损害组织的完整性，但是上皮组织可以承受极端的变形和机械应力而没有损坏的迹象。这与癌细胞的表现形成强烈反差：机械变形会引起癌细胞核破裂和DNA损伤。因此，非癌性上皮细胞，如皮肤表皮干细胞，很可能已经获得了强大的基因组机械保护机制来应对暴露于微环境时的机械力。

核膜和Lamins组成的蛋白网状结构是细胞核的结构支架，保护着遗传物质染色质。染色质没有特定形态，只能区分为常染色质（松散，电镜下不易被染色，与基因表达相关，euchromatin）和异染色质（致密，电镜下易被染色，与基因沉默相关，heterochromatin）。异染色质区域的基因密度低，转录活性低，富含抑制性组蛋白修饰H3K9me2，H3K9me3和H3K27me3。破坏沉积H3K9me2（Ehmt2 / G9a）和H3K9me3（Setdb1，Suv39H1和Suv39H2）的甲基转移酶会破坏基因沉默和异染色质的定位。

外部微环境衍生的机械力能够使染色质变形和重塑，从而改变基因表达的整体模式。但是，如何在核内消散机械应力，以及染色质如何响应和保护免受机械应力，却鲜为人知。为了确定这种机制和性质，来自Sara Wickstrom研究小组的研究者将皮肤表皮干细胞单层暴露于生理相关的周期性单轴机械拉伸振幅中，发现拉伸会立即引发核变形，从而导致Piezo1介导的钙从内质网膜释放，从而减少H3K9me3标记的异染色质，引起核软化。通过抑制钙流入或强制表达H3K9me3甲基转移酶Suv39H1来增加异染色质水平，将导致染色质的硬化，从而引发DNA损伤。当长期暴露于高振幅拉伸时，组织内的细胞会统一单层排列于垂直于拉伸的方向，其过程独立于核变形途径并受细胞间粘附力驱动。这种超细胞模式对于将机械应力重新分布到细胞核之外是必不可少的，从而使细胞能够恢复其稳态核和染色质结构，以进行长期的机械保护。

将单层皮肤表皮干细胞暴露于周期性单轴机械拉伸（4个层次的机械力，分别为0%，5%，20%，40%）和不同的时间（0，30，360 分钟），通过磷酸化位点的集群分析得知细胞在不同条件下出现了两种反应：1）快速的染色质的变化；2）缓慢的细胞群体反应。在40%的力和30分钟时（快速反应），磷酸化位点主要是与组蛋白的甲基化或者H3K9的甲基化蛋白相关。免疫染色发现异染色质的信号H3K9me3减弱了，同时投射电镜发现异染色质“融化”了。在40%的力和360分钟时（缓慢反应），与异染色质变化有关的蛋白回复到了正常水平，而与细胞-细胞接触的蛋白发生了磷酸化。此时的免疫染色发现H3K9me3恢复了，电镜照片中的异染色质也增多了。这表明这个缓慢的细胞群体反应是相对独立的，不依赖于染色质的变化。

文章模式图（图源自Cell ）

研究者进一步通过Western Blotting 发现，SUV39H1的表达量与H3K9me3的消失与出现呈现出一致性，而SETDB1表达水平没有出现变化。因而，调控H3K9me3的关键蛋白是SUV39H1，而不是SETDB1。增加SUV39H1的表达，增加了异染色质的量，使得染色质相对坚硬，缺乏应对机械力的能力，导致DNA损伤。从而，作者再次确认了保护遗传物质的快速机制是“融化”异染色质，软化基因组。同时，该层次的调控依赖于与内质网相关的钙离子信号通路。组织层面来保护遗传物质是通过缓慢的细胞群体反应实现的，与细胞-细胞接触的蛋白有关。

启发与问题：

1）Cell 的文章最主要的特点是机制。该文又是一篇经典巨作，详细分析了组织如何应对短期机械压力和长期机械压力。工作量巨大，需要非常高的综合实验技能，细胞操控，细胞实验，分子实验，计算机分析，高级光学成像系统，电镜成像系统等。

2）常染色质（euchromatin）的表观遗传标示包括DNA的非甲基化（5hC, fC, CaC）和组蛋白H3K4me3，H3K9me1; 异染色质（heterochromatin）的标示包括DNA的甲基化 (5mC)和组蛋白H3K4me1，H3K9me3。本文只发现了组蛋白修饰相关的信号，并且是异染色质的甲基化信号，与DNA无关，似乎有些没法理解。只好理解为：异染色质在基因表达的调控上的作用比euchromatin强；facultative chromatin的调控主要由组蛋白的甲基化主导，组蛋白的乙酰化和DNA的去甲基化起次要作用（？）；DNA的甲基化可能主要调控constitutive heterochromatin，如端粒等。

3）酵母系统内，不存在DNA修饰调控，只有组蛋白修饰调控。能否将机械力作用与这些单细胞，研究下组蛋白的变化？

4）异染色质的调控与non-coding RNA有着密切的关系。借用本文的操控系统，选取两个点，（40%， 30 min）和（40%，0/360 min）或许我们能够调查清楚那些RNA参与了染色质的结构调控? 

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867420303457