清華新聞網(wǎng)10月24日電 表觀(guān)遺傳信息尤其是異染色質(zhì)相關(guān)修飾能在細(xì)胞代間穩(wěn)定傳遞，以此維持細(xì)胞命運(yùn)的穩(wěn)定性。在哺乳動(dòng)物配子向早期胚胎轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，細(xì)胞命運(yùn)發(fā)生劇烈重置，同時(shí)伴隨著大規(guī)模的表觀(guān)遺傳重編程。盡管相關(guān)重編程圖譜已被逐步繪制，但重編程過(guò)程中關(guān)鍵調(diào)控因子的鑒定及其調(diào)控機(jī)制仍是領(lǐng)域內(nèi)亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
10月20日，清華大學(xué)生命學(xué)院頡偉研究組在《細(xì)胞·干細(xì)胞》（Cell Stem Cell）發(fā)表了題為“EZHIP限制PRC2非經(jīng)典結(jié)合并調(diào)控H3K27me3代間繼承和重編程”（EZHIP restricts noncanonical PRC2 binding and regulates H3K27me3 intergenerational inheritance and reprogramming）的研究論文。該研究在小鼠早期胚胎中鑒定出EZHIP（EZH inhibitory protein）是一個(gè)關(guān)鍵的表觀(guān)遺傳重編程因子，它控制了代間H3K27me3修飾的多層次重編程，包括全基因組范圍內(nèi)該修飾的擦除與重建，以及非經(jīng)典印記表觀(guān)記憶的傳遞。
H3K27me3是一種重要的抑制性組蛋白修飾，由PRC2（多梳復(fù)合物2）催化。在小鼠代間重編程中，H3K27me3呈現(xiàn)出高度動(dòng)態(tài)變化。在卵母細(xì)胞中，H3K27me3分布于經(jīng)典的發(fā)育基因啟動(dòng)子區(qū)域（稱(chēng)為多梳靶基因區(qū)域），同時(shí)也出現(xiàn)在基因間區(qū)，占據(jù)經(jīng)常超過(guò)上百kb的區(qū)域（稱(chēng)為非經(jīng)典H3K27me3結(jié)構(gòu)域）。受精后，經(jīng)典的H3K27me3在發(fā)育基因啟動(dòng)子處被快速擦除，直至著床前后才發(fā)生重建。然而非經(jīng)典H3K27me3結(jié)構(gòu)域在受精后仍能保留，并在著床前發(fā)育過(guò)程中短暫維持。為什么H3K27me3在代間重編程過(guò)程中在一些區(qū)域發(fā)生重置，同時(shí)在另一些區(qū)域發(fā)生遺傳？這其中的調(diào)控因子是什么？
為解答這些問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)首先鑒定了卵母細(xì)胞與早期胚胎發(fā)育過(guò)程中PRC2的染色質(zhì)結(jié)合區(qū)域。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在生長(zhǎng)階段的卵母細(xì)胞中，PRC2同時(shí)結(jié)合在多梳靶基因區(qū)域和非經(jīng)典H3K27me3區(qū)域，活躍地催化H3K27me3修飾。然而在完全生長(zhǎng)期的卵母細(xì)胞（FGO）中PRC2與染色質(zhì)發(fā)生解離。受精后，PRC2在一細(xì)胞晚期重新出現(xiàn)在染色質(zhì)上，并結(jié)合在非經(jīng)典H3K27me3結(jié)構(gòu)域。直至囊胚時(shí)期，PRC2才重新定位至多梳靶基因區(qū)域，啟動(dòng)H3K27me3的重建。
EZHIP調(diào)控PRC2非經(jīng)典染色質(zhì)結(jié)合和H3K27me3代間重編程
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步證明，EZHIP在早期胚胎中調(diào)控PRC2非經(jīng)典染色質(zhì)結(jié)合與H3K27me3代間重編程。EZHIP是一種內(nèi)源性PRC2抑制因子，僅在生殖細(xì)胞中特異性表達(dá)，而在其他細(xì)胞類(lèi)型中被DNA甲基化沉默。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)Ezhip mRNA在卵母細(xì)胞中大量積累，但處于翻譯抑制狀態(tài)。Ezhip僅在受精前后兩天被活躍翻譯，從而在著床前胚胎中表達(dá)豐度極高的蛋白。
有趣的是，野生型胚胎中親本來(lái)源的H3K27me3不對(duì)稱(chēng)性能維持到囊胚階段，并介導(dǎo)非經(jīng)典基因印記記憶；而EZHIP缺失后，H3K27me3不對(duì)稱(chēng)性在二細(xì)胞階段已經(jīng)完全喪失，導(dǎo)致非經(jīng)典基因印記隨之丟失。進(jìn)一步的機(jī)制研究表明，著床前胚胎中EZHIP與PRC2能夠共同結(jié)合在非經(jīng)典H3K27me3結(jié)構(gòu)域，在染色質(zhì)上形成H3K27me3-PRC2-EZHIP復(fù)合體，以此限制PRC2的酶活和擴(kuò)散。EZHIP缺失后，PRC2不再被限制，繼而在全基因組大部分區(qū)域催化了H3K27me3修飾，掩蓋了幾乎所有親本來(lái)源的H3K27me3記憶。與常規(guī)認(rèn)知相悖的是，這種廣泛分布的H3K27me3修飾并未引起全局性基因沉默，反而讓H3K27me3喪失了原本的抑制功能，導(dǎo)致非經(jīng)典印記基因的異常激活和印記X染色體失活的失調(diào)。這可能是因?yàn)镠3K27me3的效應(yīng)因子（例如PRC1和PRC2）被大量出現(xiàn)的H3K27me3稀釋?zhuān)瑹o(wú)法有效富集在正確的靶基因區(qū)域，從而導(dǎo)致基因抑制功能失效。另外，EZHIP缺失所造成的H3K27me3在全基因組范圍內(nèi)的過(guò)度積累還阻礙了后續(xù)多梳靶基因區(qū)域H3K27me3的重建，并伴隨著胚胎植入后部分致死現(xiàn)象。
綜上，研究揭示了EZHIP是早期胚胎中關(guān)鍵的表觀(guān)遺傳重編程因子，調(diào)控了H3K27me3代間重編程的擦除、遺傳和重建。同時(shí)，這些發(fā)現(xiàn)揭示了表觀(guān)遺傳記憶傳遞的基本原則，即異染色質(zhì)相關(guān)酶活過(guò)低或者過(guò)高，均會(huì)導(dǎo)致表觀(guān)遺傳記憶和基因抑制功能的喪失。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授頡偉為論文通訊作者，生命科學(xué)學(xué)院2019級(jí)博士生曾埶天、2022級(jí)博士生孔鳳為論文共同第一作者。
研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心和中國(guó)博士后科學(xué)基金的經(jīng)費(fèi)支持。
論文鏈接：
https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(25)00340-6
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
