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2024年08月19日 08:02 北京
表觀遺傳資訊的繼承（epigenetic inheritance）是細胞增殖和分化的核心基礎，理解這一過程對我們認識正常發育和衰老等生理過程和解析發育異常、腫瘤和早衰等病理過程都至關重要。作為真核生物特有的遺傳機制，在遺傳物質DNA序列不變的前提下，表觀遺傳資訊的繼承，是細胞身份記憶的核心基礎，而表觀遺傳資訊繼承的彈性，也為重塑細胞身份提供獨特的視窗。染色質是編碼表觀遺傳資訊的主要載體，其基本結構單元是核小體，由一段147bp DNA纏繞組織蛋白八聚體構成。組織蛋白攜帶不同的轉譯後修飾，蘊藏豐富的表觀遺傳資訊，和其它因子一起形成染色質景觀，決定了基因組的表達譜，形成細胞的身份。彈性的表觀遺傳資訊繼承是染色質景觀維持和重塑的基礎，其核心步驟是DNA復制偶聯的染色質重建，最重要的一環是DNA復制叉上親本組織蛋白的回收和再分配。
北京大學李晴研究組圍繞DNA復制偶聯的核小體組裝，聚焦在親本組織蛋白在復制叉上的回收和分配機制。2023年在【核酸研究】雜誌上發表「 The N-terminus of Spt16 anchors FACT to MCM2-7 for parental histone recycling 」研究論文， 揭示組織蛋白分子伴侶FACT直接參與復制叉位點親本組織蛋白的原位回收，並且同時貢獻於兩條子鏈 ；透過和復制體元件相互作用，組成「組織蛋白分子伴侶-組織蛋白-復制體元件」通用模組，調節親本組織蛋白流向。2024年，和合作者（翟元梁/高寧/戴碧瓘團隊）在【自然】雜誌發表「 Parental histone transfer caught at the replication fork 」研究論文， 捕獲首個內源復制叉上親代組織蛋白遞送的起始態 ，發現組織蛋白分子伴侶FACT和復制體保護復合物（Tof1-Csm3）以及解旋酶亞基Mcm2一起捕獲親本組織蛋白六聚體【(p-p)2-(pA-pB)】往滯後鏈遞送的機制。這些工作較為全面的理解復制體元件調節親本組織蛋白回收和遞送途徑，然而，親本組織蛋白在兩條子鏈的分配機制仍不明了。
近日，李晴研究組和哈佛醫學院、霍華德休斯醫學研究院（HHMI）Danesh Moazed研究組合作在【細胞】雜誌發表了題為「 A replisome-associated histone p-p tetramer chaperone required for epigenetic inheritance 」的研究論文。在本研究中，作者透過遺傳篩選、生化、分子生物學和生物物理學等方法，結合AlphaFold-Multimer結構預測等手段發現DNA復制體（replisome）中復制叉保護復合物亞基Mrc1/CLASPIN（另外兩個亞基是Tof1和Csm3）存在一段在真核生物中保守的組織蛋白p-p四聚體結合區域。
本研究首先透過異染色質沈默報告體系確認了裂殖酵母中Mrc1與FACT在異染色質沈默中的關鍵作用，隨後透過IP-MS手段確認了Mrc1的C端負責其與FACT以及其他復制體元件的相互作用。AlphaFold-Multimer結構預測表明，Mrc1具有一段保守的Mrc1-like domain（Mrc1-MLD），很可能與組織蛋白p.1-p四聚體存在互作（圖1）。其中的α1-3三個螺旋較為對稱地箍住p.1-p四聚體：α1與α3各結合一個p-p二聚體，而α2同時結合兩個p。綜合已有的核小體核心顆粒的晶體結構，Mrc1-MLD很可能透過模擬核小體的特性從而部份取代核小體DNA及pA-pB二聚體進而結合p-p四聚體。體外pull-down實驗進一步表明，Mrc1-MLD能夠特異地結合組織蛋白p-p，這一點在釀酒酵母Mrc1以及人源CLASPIN也都得到證實。裂殖酵母和芽殖酵母中的實驗也都證明Mrc1-MLD參與維持異染色質沈默。
▲圖1 AlphaFold-Multimer預測一段演化保守的Mrc1/CLASPIN區域結合組織蛋白p-p四聚體（圖片來源：原始論文[1]）
作者之後透過eSPAN（enrichment and sequencing of protein-associated nascent DNA）方法分析Mrc1與p-p的相互作用在親本組織蛋白回收和遞送中的作用。作者首先在芽殖酵母中發現，Mrc1全敲除或大片段敲除MLD區段會導致親本組織蛋白往前導鏈遞送缺陷。進一步在芽殖酵母和裂殖酵母中進行小片段篩選和定點突變分析，發現Mrc1結合組織蛋白區域同時影響前導鏈和滯後鏈的親本組織蛋白遞送。據此，作者得出結論：Mrc1是一個在DNA復制體上的組織蛋白分選組分（圖2）。
▲圖2 eSPAN分析Mrc1-MLD調節親本組織蛋白回收（圖片來源：原始論文[1]）
綜上所述，本工作發現Mrc1/CLASPIN能夠結合p-p四聚體，這對復制偶聯的親本組織蛋白回收十分重要。Mrc1與FACT以及其他復制體元件共同調節親本組織蛋白在兩條子鏈上的分配（圖3）。本工作在已有研究的基礎上進一步豐富了復制叉處親本組織蛋白的回收機制，加深了對於復制偶聯的表觀資訊遺傳的理解。長期以來領域內對於親本組織蛋白回收過程的認識都較為碎片化，而近期的李晴實驗室的幾篇工作（Nucleic Acids Research，2023；Nature，2024；Cell，2024）給出了復制叉上的關鍵蛋白在親本組織蛋白回收中的作用機制，拓展了對復制叉保護復合物（Mrc1-Tof1-Csm3）功能的認識。Mrc1能夠結合組織蛋白p-p，從而直接參與親本組織蛋白的回收和分配；Tof1則依托其在復制叉前端的位置以及與FACT、Mcm2和Mrc1的相互作用，調控親本組織蛋白的流向。綜合領域內前期研究，Mcm2與Pol1的組織蛋白結合區域傾向於將親本組織蛋白遺傳到滯後鏈，而Dpb3-Dpb4傾向於將組織蛋白遺傳到先導鏈。至此，親本組織蛋白的解離、遞送和重組裝過程得到了較為充分的闡釋，復制體元件對親本組織蛋白回收框架的支撐得到了較為全面的理解。
▲圖3 DNA復制叉上的親本組織蛋白遞送模型圖（圖片來源：原始論文[1]）
哈佛大學博士生俞鈞陶、北京大學博士生張煜婕為該論文並列第一作者，哈佛醫學院、霍華德休斯醫學研究院（HHMI）教授Danesh Moazed和李晴為共同通訊作者，哥倫比亞大學賈松濤（Songtao Jia）研究組，哥倫比亞大學醫學院張誌國（Zhiguo Zhang）研究組以及哈佛醫學院Steven Gygi研究組也參與了本研究。李晴研究組感謝國家自然科學基金委員會、北京市教育委員會、北京大學-清華大學生命科學聯合中心和蛋白質與植物基因研究國家重點實驗室的資助。
原始論文：
[1] A replisome-associated histone p-p chaperone required for epigenetic inheritance. Cell (2024). DOI: https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.07.006
