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组蛋白修饰调控DNA甲基化?跟着Nature学起来~
2019-11-21

导语

DNA甲基化是真核细胞正常而普遍的修饰方式,也是哺乳动物基因表达凋控的主要表观遗传学形式。DNA甲基化修饰是由各种DNA甲基化转移酶催化的,但为什么对底物(胞嘧啶)没有选择的甲基化转移酶,会造就基因组不同区域的不同甲基化模式呢?已有研究证明组蛋白修饰DNA甲基化转移酶定位、启动子区域DNA甲基化和活跃转录基因体的表达模式相关。而基因间区DNA甲基化的产生和维持机制目前尚不清楚

本文介绍的工作,就是201994日在线发表在《自然》杂志上,研究基因间区甲基化修饰模式的调控问题。作者发现H3K36me2修饰的组蛋白可以招募DNA甲基转移酶3ADNMT3A),从而塑造基因间DNA甲基化图谱。那么他们是如何发现这个问题,又是如何研究的呢?跟着小编一睹为快吧!!

1.组蛋白修饰是否与DNMT的定位、DNA的甲基化水平相关?

为了回答这个问题,作者设计了如下实验:

  1. 多种修饰的组蛋白的Chip-seqH3K36me3, H3K36me2, H3K27me3, H3K27ac, H3K9me3 H3K4me1),以获取不同修饰的组蛋白在基因组上的定位;
  2. 2DNMTDNA甲基化转移酶)的Chip-seq,以获取同一状态下DNMT在基因组上的定位;
  3. WGBS来获取基因组DNA的甲基化修饰状态;

如果某种组蛋白修饰对DNMT介导的DNA甲基化修饰有贡献,首先它们会和相应的DNMT在定位上有重叠,且伴随高水平的DNA甲基化修饰。

 

初步的分析结果表明:

  1. H3K36me2H3K36me3的分布类似,显著区别于H3K9me3H3K27me3【一类是活化性、一类是抑制型,小编注】,与之前的认知一致;
  2. DNMT3ADNMT3B的结合主要分布于H3K36me2H3K36me3修饰区域;
  3. 甲基化程度超过75%的区域,富含H3K36me2修饰。

前期的研究发现H3K36me3可以调控DNMT3B介导的DNA甲基化,这个结论在本工作中也得到了证实。但H3K36me2DNMT3A的这种相关性前期没有被报道过。因此作者仔细分析了H3K36me2H3K36me3的区别,发现:

  1. H3K36me3主要分布在gene body上,但H3K36me2分布更加广泛,在基因区和基因间区都有分布;
  2. DNMT3A的分布和H3K36me2高度相近,同样也在基因间区有大量分布;

那么DNMT3A是否和H3K36me2具有像前期报道的DNMT3B是否和H3K36me3一样的相关性呢?作者从几个方面进行了分析:

  1. DNA甲基化和H3K36me2H3K36me3都高度相关;
  2. 联合H3K36me2H3K36me3的修饰水平和DNMT3ADNMT3B的结合情况,发现DNMT3B的确和H3K36me3相关、DNMT3AH3K36me2更相关;
  3. 作者将在ES细胞中将三个DNMT全部敲除,再单独表达DNMT3A发现DNMT3A催化的DNA甲基化位点、修饰水平和H3K36me2的修饰水平高度相关!!甚至远远超过了前期报道的DNMT3BH3K36me3的关联!!!!

上面的这个发现,其相关性之高可以说超过了前期的所有报道,暗示其意义的重要价值!但这始终证明这两者是相关的,更关键的问题在于:H3K36me2是否会调控DNMT3A以及DNA甲基化呢?

 

2.DNMT3A的定位以及DNA甲基化水平依赖H3K36me2修饰?

为了回答这个问题,作者敲除了负责H3K36me2修饰的组蛋白甲基化转移酶NSD,然后检测H3K36me2修饰水平变化之后DNMT3A以及DNA甲基化水平的改变,发现:

  1. NSD敲除之后,H3K36me2的修饰水平大幅降低,并且降低主要发生在基因间区;
  2. NSD敲除之后,DNMT3A在基因间区的分布大幅下降;
  3. NSD敲除之后,基因间区CpG的修饰水平大幅下降;
  4. 全基因组关联分析表明,DNMT3AH3K36me2缺失区域结合能力的丧失与该区域CpG甲基化的降低是一致的。

这部分结果直接证明了基因间区H3K36me2的修饰水平,会直接决定DNMT3A在这些区域的结合强度,并进一步调控这些区域的CpG甲基化水平。那么,这种调控的机制是什么呢?

 

3.机制是什么?

上面的结果表明,DNMT3AH3K36me2之间可能存在互作。DNMT3ADNMT3B中均含有PWWP结构域,该结构域前期已被报道可与甲基化修饰的H3K36在体外发生作用。那么是否是DNMT3APWWB结构域特异的识别H3K36me2修饰呢?

 

为了回答这个问题,作者纯化DNMT3A PWWP结构域,并与各种组蛋白被不同类型修饰的核小体进行结合实验发现DNMT3APWWP结构域和H3K36me2亲和性最高,H3K36me3也有结合,而与其他组蛋白修饰不结合,一定程度上证明了这个猜想。

 

DNMT3APWWP结构域和H3K36me2H3K36me3都有结合,那为什么DNMT3A特异性的受H3K36me2,而不是H3K36me3招募呢?作者猜测可能是DNMT3A与两种组蛋白修饰的亲和力不同导致的:DNMT3AH3K36me2的亲和力要远强于H3K36me3。如果这个猜测是正确的,那么H3K36me2修饰水平下降时DNMT3A选择H3K36me3结合。因此作者比较了NSD敲除H3K36me2水平变化)前后DNMT3AH3K36me3的结合能力,发现:当H3K36me2修饰时,DNMT3AH3K36me3修饰水平高的区域结合能力很低;但当NSD敲除、H3K36me2修饰降低之后,DNMT3A反而H3K36me3修饰水平高的区域产生了高度结合,证实了上述猜测。

至此,作者已经充分证明了H3K36me2可以通过DNMT3A上的PWWP结构域将该甲基化转移酶招募到基因间区,从而指导这些区域的CpG甲基化修饰。

 

总结

在本文中,为了阐明组蛋白修饰指导DNMT介导的CpG甲基化作者整合了多种敲除、过表达体系的多种组蛋白修饰和DNMTChIP-seq,以及WGBS-seq实验数据。本解读文章只是将最证明这种调控关系的最核心的思路和结果进行了整理,原文更加严谨和丰富。如果您对此类研究很感兴趣,不妨仔细阅读一下原文。