DNA甲基化和组蛋白修饰是真核细胞基因组中两种高度保守的表观遗传学机理。作为异染色质的重要指标， DNA 甲基化和抑制性组蛋白修饰 （例如H3K9me3和H4K20me3) 之间相互作用，从而达到对基因表达以及异染色质的形成和稳定多层次的调控。研究表明，DNA 甲基化修饰或抑制性组蛋白修饰的失调会导致神经性以及发育型疾病，如脆性X综合征（fragile X syndrome）以及早老症（Hutchinson-Gilford Progeria Syndrome）。那么，DNA甲基化与抑制性组蛋白修饰之间如何相互作用呢？之前在对真菌和植物中的研究中发现，某些维持性甲基化转移酶含有识别抑制性组蛋白修饰（比如 H3K9me3 /H3K9me2）的“reader”结构域，使得这些酶在甲基化过程中可以受到抑制性组蛋白修饰的信号调控， 以便对异染色质区域中DNA甲基化进行特异性地维护。与此对应，哺乳动物细胞中DNA甲基化主要由甲基化维持酶DNMT1在细胞分裂过程中来维持。目前领域内的普遍认知是，DNMT1 与抑制性组蛋白修饰的链接主要由调控蛋白UHRF1的功能来实现：后者通过对抑制性组蛋白修饰H3K9me3和半甲基化DNA底物双重性的识别，以及对组蛋白H3的泛素化，使得DNMT1在细胞分裂过程中的S期被异染色质中泛素化的H3组蛋白所招募，从而达到异染色质中DNA甲基化的维持。但近年来的证据表明，事实并非如此简单。比如在2020年，加州大学河滨分校的宋吉奎研究组联合美国北卡大学教堂山分校王刚研究组在PNAS杂志上发表论文指出，DNMT1中的RFTS结构域可以特异性地识别H3K9me3，以支持DNMT1对异染色质区域中甲基化的维护 （PNAS. 2020. 117: 18439-18447）。近日，宋吉奎研究组和王刚组进一步在Nature Communications杂志上在线发表文章：DNMT1 reads heterochromatic H4K20me3 to reinforce LINE-1 DNA methylation。该文章首次鉴定了DNMT1蛋白的BAH1结构域可以直接与K20me3修饰后的H4组蛋白进行结合，并进一步激活DNMT1的甲基化酶活性，从而影响DNMT1的体内定位、异染色质中重复序列LINE-1区域的甲基化水平、以及基因组的稳定性。该研究首次建立了体内DNA甲基化以及组蛋白H4K20me3修饰之间的直接联系，完善了对DNMT1甲基化转移酶的了解。首先，作者们通过体外的组蛋白peptide array、pull down以及ITC等实验鉴定了DNMT1的BAH1结构域对H4K20多甲基化尤其是H4K20me3修饰特异性地识别， 并通过晶体学手段解析了BAH1结构域与含有H4K20me3修饰的组蛋白肽段的晶体结构。结构分析表明BAH1结构域中Y775和W796残基对于H4K20me3结合具有重要的作用， 并且BAH1结构域与H4K20me3的结合会导致 DNMT1的构象从自抑状态转向活化状态。在此基础上，研究人员通过ITC蛋白结合实验、酶活性检测实验以及分子动态模拟进一步确定了BAH1与H4K20me3修饰的结合使得DNMT1中的自抑制区段易位，从而激活DNMT1的甲基化转移酶活性。同时，该文章也利用单分子荧光共振能量转移（smFRET）实验发现BAH1结构域与H4K20me3作用所介导的DNMT1激活机理与之前研究的RFTS结构域与H3泛素化/H3K9me3 作用所介导的激活机理有异曲同工之处。另一方面，DNMT1与H4K20me3在细胞内的结合及其对于DNMT1在细胞内的定位也得到了免疫共沉淀实验以及免疫荧光分析的证实。对基于全基因组的甲基化分析进一步表明， 该相互作用对基因组中DNA甲基化水平尤其是重复序列LINE-1区域的甲基化修饰的影响显著，并与RFTS结构域所介导的甲基化活性调控有互补效果。最后，文章还通过彗星实验（neutral comet assay ）阐释了DNMT1的RFTS结构域与BAH1结构域共同对于细胞内基因组稳定性的维持具有重要的意义。该文章的研究首次建立了组蛋白H4K20me3修饰与DNMT1介导的DNA甲基化之间的直接联系，提供了LINE-1区域DNA甲基化修饰的分子机制，丰富了对体内异染色质形成的认识。据悉，加州大学河滨分校任文丹博士和北卡大学教堂山分校范会涛博士为该文共同第一作者。宋吉奎教授以及美国北卡大学教堂山分校王刚教授为共同通讯作者。同时，加州大学河滨分校汪寅生研究组、Sean O’Leary研究组, 波士顿大学的崔强教授，北卡大学的Brian D Strahl，斯坦福大学的Or Gozani，斯隆－凯特琳纪念癌症中心的Dinshaw J Patel 教授，德克萨斯大学的Kyle M Miller和美国国家环境健康科学研究所的Paul A Wade研究组也为课题的进展做出了重要贡献。https://doi.org/10.1038/s41467-021-22665-4
文章来源：BioArt，责编 | 酶美
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