特定核蛋白：按住躁动的你—异染色质

真核生物中的染色质根据其结构和功能的不同分为常染色质和异染色质。通常常染色质处基因数目多且活跃，异染色质处基因数少。异染色质通常以body或者foci的形式存在于核周边^[1-2], 对于维持基因组的稳定性发挥重要作用。现有研究通过遗传和生化方法鉴定到了许多异染色质形成所需的关键蛋白，但是仍然缺乏对这一状态的全面了解和认识，尤其是异染色质是如何形成body或者foci以及异染色质定位到核周的机制。常染色质组蛋白主要发生H3赖氨酸乙酰化^[3]，而异染色质的组蛋白发生H3第9位赖氨酸甲基化^[4-5]。根据不同修饰具有不同reader的特点,结合IP技术，理论上可以将常染色质与异染色质分离（图1）。基于这一想法哈佛大学Danesh Moazed团队开展了异染色质组成成分的相关研究，他们的工作，“Native Chromatin Proteomics Reveals a Role for Specific Nucleoporins in Heterochromatin Organization and Maintenance”，于2020年1月在Molecular Cell 发表，阐述了特定的核蛋白在异染色质固定和维持中的作用。

 图1.  染色质在核中分布模型

作者以 S. pombe 为实验材料，内源表达H3K9me的reader蛋白Flag-Swi6(图2B)，得到IP产物后，进行ChIP-seq (图2C)和TMT-MS分析（图2D）。实验结果显示Flag-swi6 IP的DNA片段主要富集在异染色质区-端粒，着丝粒以及 mat locus，且已知与异染色质形成有关的关键成分均包含于质谱结果中。表明这种方法可以用于分析异染色质的片段以及异染色质的蛋白组成成分。

图2.  分离native染色质片段的方法

染色体的异染色质区为端粒，着丝粒以及mat locus。不同的异染色质片段结合的特定蛋白有哪些呢？随后作者在dcr1Δ，dcr1Δtaz1Δ 突变体背景下分析了异染色质的形成情况。ChIp-seq数据表明不同位置的异染色质所结合的蛋白有所差异（图3）。

图3. 不同突变体中异染色质的分布情况

此外，质谱鉴定结果表明，除了已知与异染色质形成相关的蛋白，核孔复合物（NPC）以及核内膜蛋白（INM）也表现为显著富集。为了探索这些蛋白的功能，对Npp106，Nup211和INM中Lem2,Nur1蛋白进行研究。ChIP-seq数据表明NPC和Lem2-Nur1能够将异染色质固定到核周边（图4左）。而Lem2-Nur1在异染色质固定过程中主要是发挥维持核仁的定位以及完整性的作用（图4右）。

图4.  NPC和INM复合物蛋白全基因组定位及Lem2-Nur1在核周固定中的作用

 为了探索Npp106复合物对于异染色质固定以及基因沉默的影响，在npp106Δ突变体中检测了异染色质的状态及形成，结果表明，Npp106能够促进异染色质的聚集（图5左）以及维持（图5右）。

图5.  Npp106促进异染色质的聚集和维持

综上所述，特定的核蛋白，如Npp106 和Lem2-Nur1，通过结合异染色质的不同位置达到将其固定在核周的目的，同时Npp106 维持着异染色质基因沉默，促进异染色质形成foci或者body（图6），而NPC和Lem2-Nur1维持着核仁的定位及完整性。

图6.  NPC和Lem2-Nur1固定异染色质的模型

本工作利用识别不同组蛋白修饰的reader不同，将常染色质与异染色质分开，同时结合二代测序和质谱技术，得到了染色质上蛋白质的组成情况。发现了Npp106和Lem2-Nur1具有维持异染色质稳定及固定异染色质到核周的功能。该工作亮点主要有2个，第一个是利用native IP的技术得到染色质片段，以及在此处直接或间接（主要指依赖和不依赖H3K9me）结合的蛋白质，更加真实的还原了染色质上蛋白质结合的情况；第二个是通过质谱的方法获得染色质上的蛋白情况，尤其是鉴定到不同异染色质片段各自所结合的蛋白，促进人们对于染色质结构与功能的认识，同时也为后续的相关研究提供线索。

该工作对于核蛋白功能的研究，证实了部分蛋白缺失对于异染色质定位及维持有影响，但是没有进一步证明Npp 106是如何影响异染色质的聚集和维持，Lem2-Nur1是如何影响核仁的稳定等。此外该研究也引出了其他需要探索的问题——第一，质谱鉴定到的结果是所有蛋白的汇总，无法得知蛋白结合到异染色质的具体位置（最小分辨率只能达到着丝粒，端粒或者mat locus），更精确的位置需要进一步的研究；第二， NPC和INM是如何将异染色质拖拽过去，为什么NPC和INM只有部分蛋白有该功能，他们的区别是什么，如何实现分工也是后续值得继续研究的一些问题；第三，本文验证的核蛋白与已报道的异染色质相关蛋白的关系也需要进一步探讨。

参考文献：

（1）Towbin, B.D., Gonzalez-Sandoval, A., and Gasser, S.M. (2013). Mechanisms of heterochromatin subnuclear localization. Trends Biochem. Sci. 38, 356–363.

（2）Mekhail, K., and Moazed, D. (2010). The nuclear envelope in genome organization, expression and stability. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 11, 317–328.

（3）Garabedian, M.V., Noguchi, C., Ziegler, M.A., Das, M.M., Singh, T., Harper, L.J., Leman, A.R., Khair, L., Moser, B.A., Nakamura, T.M., and Noguchi, E. (2012). The double-bromodomain proteins Bdf1 and Bdf2 modulate chromatin structure to regulate S-phase stress response in Schizosaccharomyces pombe. Genetics 190, 487–500.

（4）Nakayama, J., Rice, J.C., Strahl, B.D., Allis, C.D., and Grewal, S.I. (2001). Role of histone H3 lysine 9 methylation in epigenetic control of heterochromatin assembly. Science 292, 110–113.

（5）Bannister, A.J., Zegerman, P., Partridge, J.F., Miska, E.A., Thomas, J.O., Allshire, R.C., and Kouzarides, T. (2001). Selective recognition of methylated lysine 9 on histone H3 by the HP1 chromo domain. Nature 410, 120–124.