Nature背靠背：组蛋白H1调控染色质结构

来源：BioArt

核小体是真核生物染色质的基本结构单元，由DNA和组蛋白组成，大约147bp的DNA缠绕在核心组蛋白H2A,H2B,H3和H4组成的八聚体上。同时，体外实验发现连接组蛋白(linker Histone)H1锁定进出核小体两端的DNA，使染色质的结构更加稳定【1】。然而，组蛋白H1在细胞内的功能和重要性一直未被阐明。

2020年12月9日，来自美国爱因斯坦医学院的Arthur I. Skoultchi教授和威尔康奈尔医学院的Ari M. Melnick教授以背靠背的形式在Nature发表有关组蛋白H1通过影响染色质3D结构调控发育和疾病进程的机制。

Arthur I. Skoultchi教授的研究题为“H1 histones control the epigenetic landscape by local chromatin compaction”，该研究发现组蛋白H1通过调控染色质结构来影响表观遗传修饰H3K27me3和H3K36me2的丰度，从而影响基因表达的机制。

人类细胞中至少有10种不同的组蛋白H1异构体，其中H1A至H1E（也称为H1-1至H1-5）这5个变体的表达最广泛。研究者前期的研究发现单独敲除某一个或两个H1变体都不会引起明显的表型【2】，而同时敲除H1C(H1-3),H1D(H1-4)和H1E(H1-4)则导致小鼠胚胎死亡【3,4】，说明H1在哺乳动物发育中具有重要功能，但这也阻碍了H1功能和作用机制的进一步研究。为了克服这个问题，研究者开发了条件诱导依赖的H1C,H1D和H1E三敲体系（之后命名为H1cKO），能够在特定体系中敲除它们。

通过整合基因表达和色谱数据，研究者发现H1C,H1D和H1E在B细胞和T细胞中占所有H1变体的90%以上，因此研究H1在B,T细胞中的功能和作用机制。H1cKO显著的降低B,T细胞的增殖并促进细胞凋亡，说明H1在B,T细胞发育中很重要。

接下来，研究者检测H1敲除对染色质结构的影响。Hi-C分析显示虽然大部分的A,B compartments不受H1敲除的影响，但是受H1敲除影响的区域显示出更强的B到A compartments的变化（1021个），而不是A到B compartments（283个）。（注：A,B compartments，也称为A，B区室或A,B间隔，A compartments主要是常染色质-转录活跃区域，B compartments则主要是异染色质-转录抑制区域。）

进一步，研究者将染色质分为3种类型。Type 1约占基因组的3%，是最开放的区域，基本不受H1缺失的影响。Type 2约占基因组的23%，包括了不同转录水平的基因，在敲除H1后核小体重复长度（nucleosome-repeat length，NRL）降低。Type 3约占基因组的74%，主要是富集H3K27me3，H3K9me3和没有特定染色质修饰的异染色质区域；与Type 2类似，敲除H1也引起Type的NRL减少，但特别的，只有Type 3在H1敲除后开放性增加。是什么造成了不同染色质区域对H1敲除的响应的不同呢？研究者发现Type 3区域本身含有更多的H1/核小体比例。

那么，H1的敲除是否会影响Type 3区域的组蛋白修饰呢？通过质谱鉴定和CHIP实验，研究者发现敲除H1会降低H3K27me3但提高H3K36me2的含量。体外酶活实验显示，H1可以促进PRC2-AEBP2的H3K27me2活性，并抑制NSD2的H3K36me2活性。有趣的是，只有在多核小体的情况下才能检测到H1对NSD2的抑制，而在单核小体，H1不能抑制NSD2的活性，这说明H1通过促进染色质压缩抑制HSD2的活性。

根据以上H1的作用机制，研究者解释了H1的缺失如何影响 B，T细胞的活力。同时，该研究揭示的H1在染色质结构中和表观遗传中的功能，也提示了H1可能在发育和疾病进程中有重要作用。

确实，在同期的Nature上，Ari M. Melnick教授发表研究“Histone H1 loss drives lymphoma by disrupting 3D chromatin architecture”，该研究揭示了在淋巴瘤中常见的H1突变，通过调控染色质结构和H3K27me3，H3K36me2修饰，促进淋巴瘤进程的分子机制。

总的来说，这两项研究分别揭示了H1在发育和疾病中的重要功能。H1通过将染色质压缩，促进H3K27me3的沉积并抑制NSD2的H3K36me2活性（图1）。组蛋白是染色质的重要组成部分，而以往的研究主要集中在核心组蛋白上，这两项研究首次证明了H1在染色质上分布的不均匀，以及对特定染色质区域的调控，具有重要意义。

原文链接

https://doi.org/10.1038/s41586-020-3032-z

https://doi.org/10.1038/s41586-020-3017-y

参考文献

1. Catez F, UedaT, Bustin M. Determinants of histone H1 mobility and chromatin binding inliving cells. Nat Struct Mol Biol. 2006 Apr;13(4):305-10. doi:10.1038/nsmb1077. PMID: 16715048; PMCID: PMC3730444.

2. Fan, Y.,Sirotkin, A., Russell, R. G., Ayala, J. & Skoultchi, A. I. Individualsomatic H1 subtypes are dispensable for mouse development even in mice lackingthe H10 replacement subtype. Mol. Cell. Biol. 21, 7933–7943 (2001).

3. Fan, Y. etal. Histone H1 depletion in mammals alters global chromatin structure butcauses specific changes in gene regulation. Cell 123, 1199–1212 (2005).

4. Fan, Y. etal. H1 linker histones are essential for mouse development and affectnucleosome spacing in vivo. Mol. Cell. Biol. 23, 4559–4572 (2003)