表观遗传学

北京生命科学研究所朱冰实验室今年8月在Science杂志上发表了题为“Dense Chromatin Activates Polycomb Repressive Complex 2 to Regulate H3 Lysine 27 Methylation”的研究论文，发现组蛋白甲基化酶PRC2的酶活性受其底物染色质的紧密状态的调节。相关报道请见朱冰：表观遗传学过去，现在，未来。

近期这一研究组又与中科院生物物理所许瑞明实验室合作，在之前研究的基础上，证明了Spindlin1蛋白上参与识别该组蛋白修饰的重要氨基酸残基对rRNA基因转录的作用。相关成果公布在《美国国家科学院院刊》（PNAS）杂志上。

随着研究的深入，科学家发现DNA序列不是唯一的遗传信息，除了基因组DNA外，还有大量遗传学信息调控着基因的表达，称之为表观遗传信息。表观遗传是指DNA序列不发生变化的情况下，基因表达却发生了可遗传的改变。这种改变是细胞内除了遗传信息以外的其他可遗传物质发生的改变，且这种改变在发育和细胞增殖过程中能稳定传递。

表观遗传信息与基因序列本身一样重要，因为它控制着基因是否被开启或关闭，从而决定他们是否制造蛋白质。在过去的几十年里，研究人员已经知道DNA甲基化作用是这些标记基因沉默的表观遗传修饰过程中的其中一种类型，这种修饰导致靶标基因不能生产蛋白质。此外还有一种修饰叫做组蛋白甲基化作用，该反应是标记包裹DNA的组蛋白。

其中组蛋白甲基化尾端残基tudor结构域色氨酸残基在表观遗传调控基因表达和DNA损伤应答等方面扮演了重要的角色，之前的研究揭示出其中在芳香族残基中的甲基赖氨酸结合，但是具体的组蛋白尾端残基周围特殊序列的分子作用机制，至今科学家们还并不是很清楚。

2011年朱冰实验室与中科院生物物理所许瑞明实验室合作，发现了一个特异性识别组蛋白修饰H3K4me3的核仁蛋白Spindlin1对rRNA基因转录的调控作用。在此基础上，他们又探索了结合在核仁蛋白Spindlin1 tudor状结构域上的H3K4多肽的结晶结构，从中证明了Spindlin1蛋白上参与识别该组蛋白修饰的重要氨基酸残基对rRNA基因转录的作用。

研究人员发现组蛋白序列识别是通过一种与众不同的方式，包含有氨基末端，组蛋白H3的一对精氨酸残基的参与，其中Spindlin1蛋白pre-RNA的表达会影响结合受损刺激，这种新的结合方式能识别目标组蛋白修饰H3K4me3，并具有序列专一性。

这些实验分析数据证明了Spindlin1蛋白上参与识别该组蛋白修饰的重要氨基酸残基对rRNA基因转录的作用，为进一步理解tudor结构域蛋白在组蛋白尾端表观遗传标记中的作用，提出了新观点。


原文摘要：

Distinct mode of methylated lysine-4 of histone H3 recognition by tandem tudor-like domains of Spindlin1

Recognition of methylated histone tail lysine residues by tudor domains plays important roles in epigenetic control of gene expression and DNA damage response. Previous studies revealed the binding of methyllysine in a cage of aromatic residues, but the molecular mechanism by which the sequence specificity for surrounding histone tail residues is achieved remains poorly understood. In the crystal structure of a trimethylated histone H3 lysine 4 (H3K4) peptide bound to the tudor-like domains of Spindlin1 presented here, an atypical mode of methyllysine recognition by an aromatic pocket of Spindlin1 is observed. Furthermore, the histone sequence is recognized in a distinct manner involving the amino terminus and a pair of arginine residues of histone H3, and disruption of the binding impaired stimulation of pre-RNA expression by Spindlin1. Our analysis demonstrates considerable diversities of methyllysine recognition and sequence-specific binding of histone tails by tudor domains, and the revelation furthers the understanding of tudor domain proteins in deciphering epigenetic marks on histone tails.