哥伦比亚大学贾松涛团队发现染色质重塑复合体INO80调控表观记忆遗传

来源：中国生物技术网

北京时间2020年12月30日凌晨0时，美国哥伦比亚大学生物系研究团队在Cell Reports上发表了题为“The INO80 Complex Regulates Epigenetic Inheritance of Heterochromatin”的研究论文，阐明了染色质重塑复合体INO80在调节异染色质表观记忆遗传过程中的作用。

贾松涛 (Songtao Jia) 博士为该论文的通讯作者， 单淳敏 (Chun-Min Shan) 博士为该论文的第一作者。

在生物个体发育的过程中，每个细胞都拥有完全相同的DNA，但它们产生的后代细胞却有些相同，有些相似，有些完全不同。生物体按照一套完整的程序有条不紊地运行，有些细胞可以把自己的状态信息完整地记录下来传递给下一代。这些非DNA信息的跨代传递称之为表观记忆的遗传(epigenetic inheritance)。

真核生物基因组DNA与组蛋白和其他蛋白结合，并折叠形成染色质。组蛋白的共价修饰、染色质重塑、以及DNA修饰等在程序性的基因表达过程中都发挥着重要的调控作用。在相同类型的母代细胞和子代细胞中，基因表达图谱往往是相似甚至一致的。这是因为在母代细胞中，染色质形态一旦建成后便形成了表观记忆(epigenetic memory)，从而可以被子代细胞所继承。在母细胞中移除建立特定染色质结构（如异染色质）的信号后，这种表观遗传记忆是依然能够稳定地遗传至子代细胞中， 表明这一遗传的过程是基于模版的复制过程，而并非依赖于信号重新构建。

这种稳定复制是如何实现的？当细胞分化时如何破除表观遗传记忆？这一直是表观遗传学中亟待解决的重要问题。研究表明，组蛋白在跨代传递表观遗传信息的过程中发挥了重要作用。在DNA复制的过程中，组蛋白上的修饰同样也能以含有修饰的亲本组蛋白为原始模板进行复制。然而，组蛋白修饰遗传的具体调控机制及细节仍不清楚。

为了充分研究组蛋白修饰遗传的调控问题，研究人员选用裂殖酵母(fission yeast)的异染色质作为研究对象。单淳敏博士介绍，由于和其他高等生物的相似性以及自身遗传操作的优越性，裂殖酵母一直是研究组蛋白修饰和染色质结构的重要模式生物。最重要的是异染色质形成的机理在裂殖酵母中研究的最透彻，而且可以明确的区分建立和复制的过程。比如RNA干扰（RNAi）通路可以识别重复序列并建立异染色质，但在复制的过程中并不需要RNAi。

在这项研究中，为了鉴定可能参与调控组蛋白修饰遗传相关基因，研究人员使用RNAi 突变体来排除建立通路的影响，通过裂殖酵母突变体库进行了高通量遗传筛选，并成功获得了一些基因敲除菌株影响异染色质的复制。

图1 高通量遗传筛选获得调控异染色质遗传的基因

通过对一系列不同突变菌株的遗传学和生化分析，研究人员发现iec1, hap2, nht, iec3, 和iec5等5个基因均参与调控表观记忆遗传。运用质谱分析发现这些蛋白均属于染色质重塑复合体(Chromatin-remodeling complex) INO80的一部分，并确定了这5个亚基在INO80复合体中的相对位置。其中，亚基Iec5位于该复合体最底端。进一步研究表明，Iec5在INO80复合体调控组蛋白修饰遗传的过程中发挥了核心作用。 

研究人员随后利用一个人工构建的、干净的体内报告系统。建立因子 （Clr4-SET）和DNA的结合可以形成异染色质，造成相邻的GFP报告基因的沉默。用药物阻止建立因子和DNA的结合可以直接观测异染色质的复制。使用流式细胞荧光分选技术来检测GFP的表达，研究人员直接观察到了Iec5敲除对异染色质结构遗传的影响。同时进一步运用MNase测序，ChIP测序等手段深入研究了Iec5的具体功能。

 一系列结果均表明，Iec5并不影响INO80复合体在异染色质上的定位，但可以影响组蛋白转换(histone turnover)的速率。因而，在DNA复制的过程中，INO80通过调控亲本组蛋白的稳定性而影响异染色质的遗传。 

 图2  Iec5通过调控组蛋白转换速率影响表观记忆遗传

该研究表明，INO80染色质重塑复合体通过调节组蛋白修饰的传递，在控制异染色质遗传和维持基因组异染色质的过程中发挥了重要作用。该研究也同时为深入理解表观记忆遗传的调控机制开辟了一条新道路。由于INO80复合体的功能十分保守，该复合体在其他高等生物中是否以相似的方式参与了表观记忆遗传的调控也是今后很有意义的研究方向。