撰文 | 小柚责编 | 兮 大部分转录调控通过转录因子识别并结合DNA上特定的motif实现。在许多真核生物中，转录抑制也可以通过小RNA的引导实现。小RNA与Argonaute蛋白形成复合体，通过碱基互补配对的形式结合新生RNA，以识别它们的靶标【1】。基于小RNA的转录调控可以灵活的选择靶标，而无需新的转录因子，因此非常适合基因组监控系统——识别和抑制有害的遗传元件，比如转座子。 在后生动物中，小RNA介导的转录抑制通过Piwi蛋白（Argonaute蛋白家族成员）和与之结合的piRNAs（Piwi-interacting RNAs）实现。细胞核中的Piwi蛋白负责转座子的沉默。在目前的模型中，piwi/piRNA复合体通过结合新生RNA识别靶标，并招募组蛋白抑制性修饰H3K9me3甲基化酶（形成异染色质）沉默靶基因。在小鼠中，piwi/piRNA复合体也可招募DNA甲基化抑制转座子活性。今年10月，俞洋/黄旲组合作发现PANDAS复合物通过竞争性结合阻止dNxf1与核孔互作，导致转座子新生RNA在核内滞留的机制。该研究提出了RNA介导异染色质形成的新理论，寄阻断新生RNA出核在调控异染色质形成过程中起核心作用。（详见BioArt报道：专家点评NCB | 俞洋/黄旲组合作深入阐明piRNA调控异染色质形成的分子机制）然而，Piwi/piRNA复合物识别并滞留转座子新生RNA的行为，是如何导致该基因座位的H3K9me3形成的，尚不清楚。H3K9me3的形成需要甲基化酶SetDB1，而目前尚未发现建立piwi/piRNA复合物和SetDB1物理连接的因子。 近日，来自美国加州理工大学的Alexei A. Aravin和Katalin Fejes Toth教授合作在同期Molecular Cell发表两项研究，以果蝇为模型，他们发现SUMO修饰及SUMO E3连接酶Su(var)2-10通过连接Piwi/piRNA复合物和SetDB1参与转座子抑制的分子机制，同时鉴定了Su(var)2-10独立于Piwi/piRNA复合物调控基因转录的功能。 在这项“Su(var)2-10 and the SUMO Pathway Link piRNA Guided Target Recognition to Chromatin Silencing”研究中，研究者主要解析了Su(var)2-10在piRNA介导的染色质沉默中的功能和作用机制。 Su(var)2-10属于保守的PIAS/Siz蛋白家族成员，该家族在酵母，植物和哺乳动物中均是SUMO修饰的E3连接酶【2】。已有研究发现Su(var)2-10在染色质上富集并可能与H3K9me3阅读蛋白HP1结合【3,4】，但它在染色质沉默中的具体功能和机制尚不清楚。 Su(var)2-10在果蝇的卵巢中高表达，为研究它在生殖系统中的功能，研究者首先利用shRNA建立了生殖系统特异性的Su(var)2-10敲低体系。Su(var)2-10敲低的雌性果蝇可以产卵，但却没有后代，说明Su(var)2-10在配子发育中具有重要功能。在Su(var)2-10作用机制研究中，通过蛋白免疫共沉淀（IP）的方法，研究者发现Su(var)2-10与Piwi蛋白结合，并且Piwi引导Su(var)2-10在染色质上的定位。进一步研究发现，Su(var)2-10与H3K9me3甲基化酶SetDB1/Wde结合，并可以催化SetDB1/Wde的SUMO化。SUMO修饰不影响SetDB1/Wde的酶活性，但可以提供一个平台招募SetDB1/Wde以诱导H3K9me3和转录抑制。 总的来说，该研究回答了piRNA介导的转座子沉默领域中长期存在的问题：Piwi/piRNA复合物识别转座子新生RNA后是如何招募H3K9me3甲基化酶进而实现转座子抑制的。该研究发现SUMO E3连接酶Su(var)2-10可结合Piwi/piRNA复合物并通过SUMO修饰招募H3K9me3甲基化酶SetDB1/Wde对转座子进行抑制的机制，对深入了解RNA介导的表观遗传调控具有重要意义。 有趣的是，Piwi和piRNA主要存在于生殖细胞，是生殖所必需的，但对体细胞发育不是必需的，而Su(var)2-10的表达则是泛在的，并且其无义突变致死，这提示Su(var)2-10具有不依赖于piRNA的靶标和重要功能。 鉴于此，Alexei A. Aravin和Katalin Fejes Toth教授进一步研究了Su(var)2-10在生殖细胞和体细胞中的功能，也就是另一篇Molecular Cell：“The SUMO Ligase Su(var)2-10 Controls Hetero- and Euchromatic Gene Expression via Establishing H3K9 Trimethylation and Negative Feedback Regulation”，该研究发现Su(var)2-10介导的H3K9me3在调控常染色质和异染色质基因表达中的功能，及其维持染色质稳态的负反馈调节通路。 利用上文所建立的Su(var)2-10敲低体系，研究者得到3个有趣且重要的发现。 1.H3K9me3是异染色的标志性组蛋白修饰，它可以促进染色质的凝集，抑制基因的转录。异染色质通常被认为是不转录的。一个矛盾的现象是仍有少数基因位于异染色质区域内，却可以正常的转录。同一种组蛋白修饰是如何同时实现对常染色质中的基因进行抑制，而促进异染色质中基因的表达的呢？研究者发现异染色质中H3K9me3主要位于基因体区（gene body），而不存在于启动子区。并且这些启动子区带有激活型组蛋白修饰H3K4me3，也能被RNA聚合酶II结合，这提示gene body区的H3K9me3似乎是和转录兼容的。重要的是，Su(var)2-10能够抑制转座子插入造成的隐性启动子（cryptic promoter），使异染色质中的基因得到正确的表达。 2.普遍认为转座子通过插入蛋白编码基因的编码区或功能DNA元件（如增强子，启动子等）抑制基因的表达，该研究发现当转座子插入常染色质蛋白编码基因附近时，Su(var)2-10会介导大范围的H3K9me3，导致转座子邻近基因的沉默。该发现为转座子调控基因表达提供了新的作用方式。 3. Su(var)2-10的靶基因包括形成异染色质相关的蛋白，这可能是一种负反馈调节通路，限制异染色质的形成，维持染色质的稳态。 总的来说，该研究发现在Piwi/piRNA不存在时，Su(var)2-10依然可以结合H3K9me3甲基化酶SetDB1/Wde，调控异染色质和常染色质基因的表达。但对于Su(var)2-10是如何选择靶基因的，是直接结合DNA还是辅助其他转录因子的功能，尚不清楚。 这两项研究以果蝇为模型，揭示了一套保守的由SUMO化和SUMO E3连接酶Su(var)2-10介导的基因调控机制，对理解小RNA介导的转座子沉默，以及异染色形成和染色质稳态均有重要意义。 原文链接：https://doi.org/10.1016/j.molcel.2019.11.012https://doi.org/10.1016/j.molcel.2019.09.033
参考文献
1. Holoch, D., and Moazed, D. (2015). RNA-mediated epigenetic regulation of gene expression. Nat. Rev. Genet. 16, 71–84.2. Betz, A., Lampen, N., Martinek, S., Young, M.W., and Darnell, J.E., Jr. (2001). A Drosophila PIAS homologue negatively regulates stat92E. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 98, 9563–95683. Hari, K.L., Cook, K.R., and Karpen, G.H. (2001). The Drosophila Su(var)2-10 locus regulates chromosome structure and function and encodes a member of the PIAS protein family. Genes Dev. 15, 1334–1348.4. Stampfel, G., Kazmar, T., Frank, O., Wienerroither, S., Reiter, F., and Stark, A.(2015). Transcriptional regulators form diverse groups with context-dependentregulatory functions. Nature 528, 147–151.