清华大学李丕龙/李海涛合作报道组蛋白修饰通过促成相分离来调节染色质区室化的新机制

来源：BioArt植物

原标题：Mol. Cell：清华大学李丕龙/李海涛合作报道组蛋白修饰通过促成相分离来调节染色质区室化的新机制

真核细胞利用许多膜结合的细胞器来区分生化反应，以便更好地进行空间和时间调节。例如，它们的基因组被封闭在一个膜结合的细胞器中，即细胞核，以便更好地控制遗传信息流。还有许多细胞区室不是膜包被的，包括细胞核中的核仁（Nucleoli），Cajal小体（Cajal bodies）和早幼粒细胞白血病核体（Promyelocytic leukemia nuclear bodies，PML NB），以及细胞质中的应力颗粒（Stress granules）和P颗粒（P granules）。最近已经证明，生物大分子的多价弱相互作用可以通过液-液相分离（liquid-liquid phase separation，LLPS）机制介导许多这样的无膜区室的形成【1,2】。

在细胞核内，基因组被进一步调控形成很多区室或区域，这些区室或区域在调节基因表达时起重要作用。从它们的一些特征判断，这些动态实体区室类似于无膜细胞器。许多在染色质区室化中起作用的蛋白质具有LLPS的固有能力。这些包括李海涛/孙前文课/李丕龙课题组之前关于植物中ADCP1【3】的研究（Cell Research丨“异”曲同工之妙—李海涛/孙前文/李丕龙合作组首次完整发现植物中特有的异染质蛋白），其他还有HP1α【4】，HP1a【5】，CBX2【6,7】。其中一些蛋白质，当与DNA混合时会形成LLPS，例如CBX2，HP1α。基于这些观察结果，有人已经提出染色质区室化是通过LLPS形成的【4,5,78,9】。 

异染色质在一些真核生物中构成了近一半的基因组。这些区域由H3K9me修饰，其为高度保守的HP1调节蛋白提供结合位点。HP1蛋白使用其N-末端染色质结构域CD（Chromodomain，CD）与H3K9me结合，并通过其C-末端染色体阴影结构域（chromo shadow domain）CSD自我结合成二聚体。它们与人组蛋白H3K9甲基转移酶SUV39H1结合，并参与“修饰和结合”的连续正反馈循环，导致H3K9甲基化和HP1沿着核小体DNA扩散延伸。HP1的CSD二聚平面作为招募其他结合因子的平台，可以与HP1结合蛋白形成包含更多CD的复合体来同时结合更多的H3K9me3，因此可以认为通过在HP1相关染色质区域之间产生类似钉的连接，使染色质处于压缩状态，进而导致形成沉默DNA活性（例如重组和转录）的区域。这种沉默被认为是由组蛋白翻译后修饰的特定变化引起的，例如脱乙酰化和/或空间位阻。 

近期两个课题组分别分析了果蝇HP1a介导的早期果蝇胚胎细胞核中异染色质的形成【5】，以及人HP1α可以在溶液中自发地相分离并形成液体状液滴【4】。但是这两个研究都无法解释为什么无法自身或与DNA发生相分离的HP1β和HP1γ是如何行使类似的功能，以及组成型异染色质的形成是否受到人源的三种HP1蛋白通过形成多价复合体与其识别的H3K9me3通过LLPS调节。 

2019年9月19日，清华大学生命学院的李丕龙课题组，与清华大学医学院的李海涛课题组合作在Molecular Cell期刊上发表题Histone modifications regulate chromatin compartmentalization by contributing to a phase separation mechanism（组蛋白修饰通过促成相分离机制来调节染色质区室化）的长文文章，揭示了组蛋白修饰通过促进液-液相分离调节染色体区室化。

在本次工作中，李丕龙和李海涛课题组合作证明在试管中，H3K9me3修饰与识别其修饰的HP1染色质结构域Chromodomain(CD)的多价态相互作用可导致异染色质的形成。作者使用了两种多价HP1-CD复合体（SUV39H1/HP1, TRIM28/HP1）以及人源细胞核提取物重点染色质片段（NE）、体外重组具有H3K9me3修饰的核小体串（NA）作为实验体系。几条证据表明这些液滴的形成是由于LLPS介导形成的。由此产生的液滴让人联想到异染色质的动态行为，以及对生化调节和突变表型的反应。作者得出结论，多价H3K9me3/CD相互作用驱动形成的LLPS是细胞中异染色质形成的关键作用力。综上所述，本研究提出了组蛋白标记通过促进LLPS来调节染色体区室化的一般机制。

图：核小体串上的H3K9me3与HP1复合体的CD的多价相互作用介导的液-液相分离促进异染色质区室的形成

据悉，清华大学生命学院李丕龙研究员、医学院李海涛教授为本文的共同通讯作者。清华大学生命学院2015级博士生王亮、医学院2016级博士生郜一飞及医学院已出站博士后郑向东为本文共同第一作者。这一课题的体外核小体串组装实验得到了中科院生物物理研究所李国红课题组的刘翠芳博士的帮助。李国红教授和洛克菲勒大学的David Allis教授为本工作提出指导意见。 

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2019.08.019.

参考文献

1. Banani,S.F., Lee, H.O., Hyman, A.A., and Rosen, M.K. (2017). Biomolecular condensates:organizers of cellular biochemistry. Nature Reviews Molecular Cell Biology 18.

2. Pilong, L., Sudeep,B., Hui-Chun, C., Soyeon, K., Baoyu, C., Liang, G., Marc, L., Hollingsworth,J.V., King, D.S., and Banani, S.F. (2012). Phase transitions in the assembly ofmultivalent signalling proteins. Nature483, 336-340.

3. Zhao, S.,Cheng, L., Gao, Y., Zhang, B., Zheng, X., Wang, L., Li, P., Sun, Q., and Li, H.(2019). Plant HP1 protein ADCP1 links multivalent H3K9 methylation readout toheterochromatin formation. Cell research29, 54-66.

4. Larson, A.G.,Elnatan, D., Keenen, M.M., Trnka, M.J., Johnston, J.B., Burlingame, A.L.,Agard, D.A., Redding, S., and Narlikar, G.J. (2017). Liquid droplet formationby HP1α suggests a role for phase separation in heterochromatin. Nature 547, 236-240.

5. Strom, A.R.,Emelyanov, A.V., Mir, M., Fyodorov, D.V., Darzacq, X., and Karpen, G.H. (2017).Phase separation drives heterochromatin domain formation. Nature 547, 241-245.

6. Plys, A.J.,Davis, C.P., Kim, J., Rizki, G., Keenen, M.M., Marr, S.K., and Kingston, R.E.(2018). Phase separation and nucleosome compaction are governed by the samedomain of Polycomb Repressive Complex 1. bioRxiv, 467316.

7. Tatavosian,R., Kent, S., Brown, K., Yao, T., Duc, H.N., Huynh, T.N., Zhen, C.Y., Ma, B.,Wang, H., and Ren, X. (2019). Nuclear condensates of the Polycomb proteinchromobox 2 (CBX2) assemble through phase separation. The Journal of biologicalchemistry 294, 1451-1463.

8. Hnisz, D.,Shrinivas, K., Young, R.A., Chakraborty, A.K., and Sharp, P.A. (2017). A PhaseSeparation Model for Transcriptional Control. Cell 169, 13.

9. Sabari, B.R.,Dall'Agnese, A., Boija, A., Klein, I.A., Coffey, E.L., Shrinivas, K., Abraham,B.J., Hannett, N.M., Zamudio, A.V., Manteiga, J.C., et al. (2018). Coactivator condensation at super-enhancers linksphase separation and gene control. Science361.