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生命科学联合中心李海涛课题组《自然》发表合作论文揭示哺乳动物基因组6mA修饰调控染色质结构与早期发育

2020年07月29日 浏览量: 评论(0) 来源:生命科学联合中心 作者: 责任编辑:admin
摘要:该论文发现 DNA 6mA修饰可以拮抗基因组组织蛋白 SATB1 在 SIDD(压力诱导的 DNA 双螺旋失稳)区结合,从而调控染色质结构并影响早期胚胎发育。

2020 年 7 月 23 日,《自然》杂志正式发表生命科学联合中心李海涛课题组和耶鲁大学萧琢(Andrew Z. Xiao)实验室题为 “N6-methyladenine in DNA antagonizes SATB1 in early development”(DNA N6 - 甲基腺嘌呤(6mA)在早期发育过程中拮抗 SATB1)的合作文章。该论文发现 DNA 6mA 修饰可以拮抗基因组组织蛋白 SATB1 在 SIDD(压力诱导的 DNA 双螺旋失稳)区结合,从而调控染色质结构并影响早期胚胎发育。

DNA 6mA 修饰拮抗 SATB1 调节早期发育

6mA 修饰是近年来在哺乳动物基因组中鉴定出的新型 DNA 甲基化修饰,被称为基因组第九碱基,但其丰度、分布和产生方式等在领域内仍存争议,亟需深入细致的机制性研究突破。

2016 年,耶鲁大学干细胞中心的萧琢教授首次在 Alkbh1 缺陷型小鼠胚胎干细胞中鉴定出 DNA 6mA 的存在,并发现其对转座元件如 LINE-1 的表观沉默功能(Wu et al,Nature 2016)。2018 年,萧琢实验室与加利福尼亚大学圣迭戈分校(UCSD)的 Jeremy Rich 实验室合作发现人类神经胶质瘤干细胞基因组中有着丰富的 6mA 修饰,参与癌症的发展,因此靶向 ALKBH1 有望成为治疗神经胶质瘤新策略 (Xie et al, Cell 2018)。李海涛课题组与萧琢实验室自 2015 年就开始了 6mA 修饰相关的合作研究。历经数年积累,今年年初在我国自己主办的高影响力学术杂志《细胞研究》(Zhang et al, Cell Res 2020)发表合作论文,通过系统的生化和复合物结构解析,发现 ALKBH1 偏好催化 “鼓泡” 状态的 DNA 6mA 修饰,首次揭示哺乳动物基因组 6mA 酶促消除的分子基础。

基因组容易发生局部开链的 “鼓泡” 区域正是 AT 富集的 SIDD 区域。该区域富含核基质附着区(matrix attachment regions, MARs) DNA 基序(motif),可通过介导基因组与核基质的相互作用,参与染色质高维结构组织,对转录、复制等过程有着重要调控作用。在这一过程中,围绕 6mA 修饰的识别与催化事件发挥什么作用?其在早期胚胎发育过程中有何功能?《自然》发表的本项工作即围绕这些科学问题展开。

由于 6mA 在小鼠胚胎干细胞(mES)中丰度较低(百万分之 6-7),研究者首先寻找适宜的细胞培养条件来提高 6mA 含量。值得注意的是,在四倍体补偿实验(tetraploid complementation,4N)中,6mA 丰度与不同培养条件下 mES 的发育潜力呈正比。也就是说,在传统的 2i(加入 ERF 和 GSK3b 抑制剂)条件中(4N 阴性),6mA 水平显著降低;而在其他 2i 条件下(4N 阳性),6mA 的水平则得以保留。mES 细胞培养条件的差异可能是造成不同课题组关于 6mA 丰度争议的原因。mES 的发育潜力与其细胞重编程状态密切相关,这也提示了 6mA 在早期发育过程中的重要作用。

 基因组 6mA 的动态调节及其 SIDD 分布

随后,研究者利用胚内向胚外组织的干细胞转分化系统,发现 6mA 丰度在小鼠滋养层干细胞 (trophoblast stem cell,TSC) 形成过程中有明显升高,随后下降。更有意思的是,作者发现 6mA 在基因组分布不是随机的。通过 MAR DNA 抽提和质谱鉴定发现 6mA 修饰富集在核基质附着区 DNA,且在转分化进程第 5 天明显上调。进一步的 DNA 免疫共沉淀测序(DIP-seq)发现 6mA 主要位于 AT 含量高的基因间区域(intergenic regions),比如转座子 LINE-1s;特别地,进一步分析显示超过 60% 的 6mA 位于 SSID 区。SSID 区有助于推动拓扑压力诱导的 DNA 双螺旋不稳定,对染色质结构的组织有重要作用,包括建立和维持异染色质 - 常染色质边界和 DNA 的长距离互作等。其中 SATB1 是 SSID 调节蛋白,可以直接结合 MAR 基序组织染色质高级结构。

 基因组 6mA 拮抗 SATB1 结合

那么,6mA 是否会影响调节蛋白,比如 SATB1,在 SSID 区的结合呢?确实,结构分析与结合实验显示在体外条件下,6mA 都能显著的阻碍 SATB1 对 DNA 的结合。ChIP-seq 数据分析表明,SATB1 的基因组定位与 6mA 的基因组分布呈现互斥关系,而过表达 6mA 去甲基化酶 ALKBH1 后可以显著上调 SATB1 基因组定位。随后研究者利用 ATAC-seq 手段探讨染色质开放程度与 6mA 修饰的关系。结果发现 6mA 修饰降低位点的染色质变得更加开放,异染色质区域也被打开。Alkbh1 过表达后染色质可及区域则会蔓延过 6mA 修饰所在的边界。同时体内实验证明过表达活性 Alkbh1 而非酶活缺陷 Alkbh1 可以促进滋养层巨细胞(trophoblast giant cell,TGC)的形成。这说明 6mA 通过拮抗 SATB1 维持染色质的常染色质 - 异染色质边界,调控周边基因的表达,进而影响 TSC 的形成。

 6mA 调控小鼠早期胚胎发育

为进一步研究 6mA 在胚胎发育中的功能,研究者构建了 ALKBH1 缺失的小鼠。虽然 ALKBH1 缺失的杂合小鼠可以出生,但是纯和小鼠却不能。ALKBH1 缺失会增加胎盘组织 6mA 修饰水平并抑制 TSC 向 TGC 的分化,显著减少 TGC 形成。同时,SATB1 的敲除也有与 ALKBH1 缺失相似的表型,该表型可以被野生型 SATB1 回补,同时更能被容忍 6mA 修饰的 SATB1 改造突变体有效回补,说明 6mA 主要通过拮抗 SATB1 结合发挥功能。

总的来说,该研究发现 6mA 通过拮抗 SATB1 在发育的早期调节染色质结构,为研究表观遗传修饰调控染色质结构和基因表达提供了新的思路,具有重要意义。

李海涛与耶鲁大学萧琢教授为文章共同通讯作者,李海涛课题组已毕业学生赵帅博士为文章的共同第一作者,李海涛课题组张敏博士参与了本项工作。本项目得到了生命科学联合中心,国家自然科学基金委员会,科技部重大研究计划,北京结构生物学高精尖创新中心,以及北京生物结构前沿研究中心的支持。

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2500-9

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