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这是CNS说的第48篇原创 与常染色质相比，异染色质是转录不活跃部分，为非活性转录区，真核生物可以通过异染色质化而关闭基因的表达。H3K9me3是异染色质相关的组蛋白标记，H3K9me3异染色质在细胞特征重编程中以及发育和细胞命运决定过程中有着自己独特的作用，本期就让我们跟着苏阳同学阅读的思路，了解一下H3K9me3异染色质在基因中的工作吧。 
H3K9me3异染色质：Barrier to Cell Fate Changes作者 | 苏阳 文编 | 隔壁小王 美编 | 穿马甲的啄木鸟 紫荆link 建立和维持细胞特性取决于基因表达的正确调控。在表观遗传机制中，异染色质的形成对保持基因组稳定性和基因的细胞类型特异性沉默至关重要。异染色质相关的组蛋白标记H3K9me3不但与基因组的非编码部分相关，而且已经成为抑制谱系不适当基因并防止其被转录因子激活的关键参与者。Kenneth S.Zaret等发表的一篇综述向我们阐述了H3K9me3异染色质在阻碍细胞特征重编程中的作用以及H3K9me3在发育和细胞命运决定过程中重组的机制。 通过基因表达的差异调节可以实现多细胞生物体中多种类型的细胞类型。细胞核中的遗传物质可以分为两大类：开放的“常染色质”，具有相对较低的DNA密度和较高的基因转录速率；“异染色质”，则具有相对较高的DNA密度和较低的基因转录速率。异染色质的物理浓缩状态与基因沉默机制相关，因为压缩的紧密结构使得DNA模板难以通过转录机制结合。 图1 a. 小鼠肝细胞核电子显微镜图片 b. 染色质上分子特征（组蛋白和DNA修饰）c. M期和间期细胞荧光显微镜图显示细胞周期动力学和着丝粒附近染色质结构（来源：https://openi.nlm./detailedresult.phpimg=PMC3501169_412_2012_389_Fig2_HTML&query=Heterochromatin&it=xg&req=4&npos=21） 在所有的细胞类型中，通过浓缩的异染色质保持染色质的一些区域在物理上不可接近并且因此使之转录沉默。这些重复丰富的区域被归类为“组成性”异染色质，因为它们的沉默在发育谱系中是普遍的。相比之下，“兼性”异染色质是指在发育过程中压缩和沉默是动态的区域，例如在细胞类型特异性基因和增强子。
从酵母菌到人类，组成型异染色质由组蛋白3赖氨酸9的二甲基化和三甲基化（H3K9me2和H3K9me3）标记。在哺乳动物中，这些共价修饰由含有SET结构域的甲基转移酶家族的5个成员催化。 SETDB1和相关的酶SUV39H1和SUV39H2可催化H3K9me2和H3K9me3，GLP和G9a（也分别称为EHMT1和EHMT2）催化H3K9me1和H3K9me2。H3K9me2/me3与异染色质蛋白1（HP1）的染色质域结合，可以自我寡聚并招募抑制性组蛋白修饰因子，促成异染色质的压缩和扩展。形成H3K9me2和H3K9me3的甲基转移酶需要在CpG二核苷酸和低水平的组蛋白乙酰化水平上建立高水平的DNA甲基化，这是异染色质的另外两个标志。
而基因启动子H3K27me3与基因抑制高度相关 ，但已证明H3K27me3标记的启动子仍可被一般转录因子和RNA聚合酶结合。这与由H3K9me3标记的染色质不同，H3K9me3阻断DNA与不同DNA结合域的转录因子的结合。由此可见，H3K9me3依赖性沉默和H3K27me3依赖性沉默似乎在机理上有所不同。
H3K9me3修饰通过全基因组定位研究已明确其在兼性异染色质的细胞类型特异性调节中的作用。在分化的人类细胞中，H3K9me3形成大小从千碱基到兆碱基大小不等的大型连续结构域。特别是H3K9me3富集于基因家族簇，如锌指转录因子、嗅觉受体等，增加了H3K9me3保护重复基因簇免受类似于非编码重复序列的非正常重组，同时也抑制转录。
图2 人16号染色体25Mb片段H3K9me3 当分化细胞重编程为诱导多能干（ iPS）细胞时，细胞特征的标记被消除。这一转换过程需要重编程转录因子与DNA中的靶点结合并重新激活在发育过程中沉默的多潜能性基因，这表明进入异染色质区域是完全重编程细胞的必要步骤。然而，只有一小部分起始细胞（<0.1％）成功地完成了这一过程。 通过iPS重编程因子Oct4，Sox2，Klf4和cMyc（以下称为OSKM）在人类成纤维细胞中表达初期首次与基因组结合的位置，可以判断染色质重编程障碍发生的地方。OSKM都是针对开放的染色质位点，然而，即使这些相同的结构域具有多能细胞中的因子的结合位点，OSKM都不能靶向成纤维细胞DNA中的一些兆碱基规模的染色质区域。这些区域被称为差异结合区域（DBRs）。在成纤维细胞中，DBRs与富含H3K9me3的区域重叠，但在胚胎干细胞（ES）中不重叠，表明H3K9me3异染色质可能介导了OSKM结合的障碍。 OSKM因子在含有关键多能性基因的大量H3K9me3异染色质中都不能结合，表明H3K9me3的去除可能是提高重编程效率的有效方法。事实表明，敲低SUV39H1/H2甲基转移酶，从而减少H3K9me3，可导致人iPS集落的出现时间缩短、数量快速增加。 H3K9me3异染色质的减少不仅增强了转录因子结合加速转化为多能性，而且似乎也是多能状态的基本标志。有研究通过电子光谱成像（ESI）发现胚胎外胚层细胞染色质高度分散，而发育的谱系限制阶段（原始内胚层和滋养外胚层）显示高度致密的染色质块。小鼠ES细胞的研究结果与其类似。此外，多能细胞的染色体蛋白质（如连接组蛋白和HP1）具有更高的交换速率。因此，与分化细胞完成重编程的能力相似，早期胚胎细胞的发育可塑性与染色质的可及性密切相关。 最近的证据表明H3K9me3异染色质能阻碍体细胞核移植（SCNT）重编程。通过正常受精和SCNT获得的两细胞小鼠胚胎进行转录组分析，发现了只在SCNT条件下沉默的转录产物的重编程阻碍区（RRRs）。这些RRRs具有异染色质的特征，包括H3K9me3的选择性标记和富集基因组中的LINE和LTR型重复元件。将H3K9去甲基化酶Kdm4d的mRNA注入胚胎或将Suv39h1/h2敲入供体核中改善了RRR内基因的表达。重要的是，减少H3K9me3的任何一种方法都可以显着提高SCNT衍生胚胎的发育潜力。 
图3 H3K9me2/3异染色质结构域阻碍多种形式的细胞重编程 H3K9me3在阻碍细胞重编程和沉默谱系特异性基因中的关键功能表明异染色质有助于维持细胞特性。因此，H3K9me3修饰必须在发育过程中的细胞类型转变期间进行重组。 在多能干细胞中，转录因子确保H3K9me2/me3积聚在基因上以进行细胞分化并在关键的多能性调节点除去。在小鼠ES细胞中，Setdb1已被证明占据和抑制编码发育调节因子的基因，并作为Oct4的共抑制因子，从而抑制滋养层基因。同样，Loh等人在小鼠ES细胞中Oct3/4正向调节去甲基化酶Kdm3a和Kdm4c的表达以分别从Tcl1和Nanog中去除H3K9me2和H3K9me3，从而保证了ES细胞中细胞更新的维持。 小鼠胚胎的遗传功能丧失研究说明了H3K9me2/me3在完成发育转变中的重要性。G9a-和GLP-无效胚胎显示出早期致死性，其特征在于与基因表达和染色质组织改变相关的显著形态异常。SETDB1的纯合性失活也导致植入时的胚胎致死性，以及内细胞群体生长的缺陷。SUV39H1或SUV39H2单敲除没有发育缺陷，但双敲除小鼠导致产前致死率升高，与基因组不稳定性有关。 对于不同类型的H3K9me相关甲基转移酶和相关因子出现的不同致死表型，反映了它们在发育过程中的不同作用。 G9a，GLP和SETDB1调节早期谱系定型，而SUV39H1/H2参与基因组稳定性和维持完全分化的细胞特征。 在最近的两项研究中，发现了H3K9me3异染色质在控制终末分化和确保细胞特性的稳定性方面的作用。Amigorena及其合作者揭示了SUV39H1和HP1α之间相互作用，以维持关键Th1基因H3K9ac高比率的H3K9me3，而后者必须在Th2细胞中沉默。作者表明，在SUV39H1和HP1α缺失条件下，Th2细胞谱系稳定性受到损害，细胞对Th1命运的可塑性增加。这种表型在疾病相关病症中也可见：Th2介导的过敏性肺炎炎症在H3K9me3消耗时减少。另一项研究中，Casaccia及其合作者分析了大脑中的分化过程，并表明沉默H3K9相关的甲基转移酶会削弱少突胶质细胞的分化，改变它们对电刺激的反应。总之，这些研究表明H3K9me3和H3K27me3在发育基因沉默和细胞特性维持中具有不同的作用，这取决于细胞谱系的特点。 已发现越来越多的序列特异性转录因子将异染色质机制募集到特定的基因启动子。视网膜母细胞瘤（Rb）蛋白与SUV39H1和HP1相互作用，并且是细胞周期调控的H3K9me3在细胞周期蛋白E启动子处所必需的。形成异染色质的另一个重要因子是一个包含Krüppel相关盒（KRAB）结构域的锌指转录因子(ZNF)。谱系特异性表达的Krüppel相关盒锌指蛋白（KRAB-ZNFs）通过结合共抑制因子KAP1（也称为TRIM28和TIF1b）抑制靶基因的转录，后者又与HP1，SETDB1和组蛋白脱乙酰酶相互作用。KRAB结构域与基因组位点的结合导致H3K9me3的扩展以及可达15kb基因启动子的沉默。 鼠类随体重复序列对转录因子（如Gfi1b，Sall1，Zeb1和一些Pax族成员）有重复的结合序列。比如，Pax3和Pax9促成H3K9me3在主要随体上的积聚和转录抑制，保持着丝粒周围异染色质的完整性，而这些因子仅在选择的特定细胞类型中表达。 除了转录因子的作用外，非编码RNA（ncRNA）可以作为一个结合平台，在特定的基因组位置形成异染色质。在裂殖酵母S.pombe中，近着丝粒区和其他位点的异染色质形成取决于RNA干扰（RNAi）途径的组成部分。从这些区域转录的双链RNAs（dsRNAs）被Dicer酶加工成小干扰RNA（siRNA），后者又通过RNA-RNA碱基配对将沉默机制（包括H3K9甲基转移酶）引入到新生异染色质转录的位点。在S.pombe中，ncRNA可以建立独立于RNAi的异染色质的其他机制，涉及越来越多的RNA加工因子和RNA外泌体成分。 早期小鼠胚胎注射近着丝粒区衍生的dsRNA可挽救具有组成型异染色质缺陷突变体的表型。在正常发育过程中，主要随体转录早期爆发先于H3K9me3积聚，并且是H3K9me3积聚所必需的。此外，主要随体转录的动态反过来调节HP1中心体周围的结合，对于上皮细胞转变至间质细胞至关重要。在发育早期，沿着染色体臂、LINE-1重复序列经历了一个转录波，并且来源于这些元件的转录物可能有助于沉默非活动X染色体上的附近基因。这些发现提示RNA与H3K9me3之间的紧密关系，而涉及的相互作用的本质和相关RNA结合蛋白等需要进一步研究。
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