新技术发现脊椎动物异染色质建立机制
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中国科学院生物物理研究所朱冰研究组于7月4日在《自然》(Nature)上发表了一篇研究论文,题为“针对着丝粒非连续序列的异染色质启动机制”。该研究揭示了脊椎动物中异染色质从头建立的机制。
从酵母到哺乳动物,与丝粒异染色质相关的DNA序列在同源性上有一定差异,但组蛋白H3K9甲基化修饰是丝粒异染色质的主要特征。然而,在脊椎动物中,丝粒异染色质的建立机制尚不明确。
以前的研究主要基于遗传筛选,忽略了负责旁着丝粒异染色质从头建立的因子。为了找出这些被忽略的蛋白因子,朱冰研究组开发了一种新技术,利用具有特异性靶向能力的CRISPR/Cas9系统和具有邻近标记能力的APEX2系统,可以鉴定特定基因组位点周围的蛋白质组。这项技术能够让科研人员在小鼠胚胎干细胞中发现旁着丝粒异染色质附近的蛋白质组。研究发现,锌指蛋白ZNF512和ZNF512B通过与旁着丝粒异染色质DNA特异性结合,定位于旁着丝粒异染色质区域。不论是在外源性导入的重复区域还是在旁着丝粒异染色质区域,锌指蛋白ZNF512和ZNF512B都可以通过与SUV39H1和SUV39H2直接相互作用,将它们招募到特定位点,并引发组蛋白H3K9me3介导的异染色质。
为什么在脊椎动物中,旁着丝粒异染色质序列表现出了不同的保守性,但仍然可以组合成具有相同H3K9me3介导的异染色质状态?研究表明,不同物种中的ZNF512和ZNF512B能够特异性地作用于其他脊椎动物的旁着丝粒异染色质区域。这种能力源于锌指蛋白ZNF512和ZNF512B具有相同的锌指结构以及保守的锌指之间较长的连接区,这些相同的锌指结构为识别重复DNA提供了能力,而较长的连接区则使它们能够识别非连续的DNA序列。
研究发现,尽管SUV39H1和SUV39H2具有冗余的活性,但它们之间存在略微不同的生化特性。SUV39H2表现出更高效的酶学活性,这是由于它对组蛋白H3尾巴表现出更高的偏好性;相比之下,SUV39H1对HP1蛋白具有较高的亲和力,从而表现出更强的基因沉默能力。
通过对小鼠胚胎干细胞的研究发现,锌指蛋白ZNF512不仅可以定位在富含TTC/GAA序列的旁着丝粒异染色质区域,还能够定位在富含TTC/GAA序列的年轻LINE的5'UTR上。研究发现,LINE上的TTC/GAA序列越多,结合ZNF512蛋白的数量越多,同时具有更高程度的H3K9me3修饰。通过对锌指蛋白ZNF512和ZNF512B双敲细胞系的研究表明,这些LINE上的H3K9me3修饰呈现出更明显的降低。
这项研究解决了异染色体领域的两个长期存在的问题:一是组成旁着丝粒异染色质的机制,二是为何脊椎动物的旁着丝粒异染色质序列看似不保守却具有相同的组蛋白H3K9me3修饰。此外,研究表明带有分裂锌指的锌指蛋白能够识别非连续的DNA序列,这启示生物信息学家开发新的算法来计算DNA结合基序,并对蛋白质与DNA之间的识别模式的探究具有重要意义。这些成果可能会为发现更多具有类似性质的蛋白铺平道路。
本研究工作获得了国家自然科学基金、国家重点研发计划以及中国科学院的相关项目资助。
2024-09-20
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