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醫學院李海濤課題組《自然》發表合作論文揭示哺乳動物基因組6mA修飾調控染色質結構與早期發育 時間:2020-07-25

2020年7月23日,《自然》雜志正式發表醫學院李海濤課題組和耶魯大學蕭琢(Andrew Z. Xiao)實驗室題為“N6-methyladenine in DNA antagonizes SATB1 in early development”(DNA N6-甲基腺嘌呤(6mA)在早期發育過程中拮抗SATB1)的合作文章。該論文發現DNA 6mA修飾可以拮抗基因組組織蛋白SATB1在SIDD(壓力誘導的DNA雙螺旋失穩)區結合,從而調控染色質結構并影響早期胚胎發育。

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圖1  DNA 6mA修飾拮抗SATB1調節早期發育

     6mA修飾是近年來在哺乳動物基因組中鑒定出的新型DNA甲基化修飾,被稱為基因組第九堿基,但其豐度、分布和產生方式等在領域內仍存爭議,亟需深入細致的機制性研究突破。

2016年,耶魯大學干細胞中心的蕭琢教授首次在Alkbh1缺陷型小鼠胚胎干細胞中鑒定出DNA 6mA的存在,并發現其對轉座元件如LINE-1的表觀沉默功能(Wu et al,Nature 2016)。2018年,蕭琢實驗室與加利福尼亞大學圣迭戈分校(UCSD)的Jeremy Rich實驗室合作發現人類神經膠質瘤干細胞基因組中有著豐富的6mA修飾,參與癌癥的發展,因此靶向ALKBH1有望成為治療神經膠質瘤新策略 (Xie et al,Cell 2018)。李海濤課題組與蕭琢實驗室自2015年就開始了6mA修飾相關的合作研究。歷經數年積累,今年年初在我國自己主辦的高影響力學術雜志《細胞研究》(Zhang et al,Cell Res 2020)發表合作論文,通過系統的生化和復合物結構解析,發現ALKBH1偏好催化“鼓泡”狀態的DNA 6mA修飾,首次揭示哺乳動物基因組6mA酶促消除的分子基礎。

基因組容易發生局部開鏈的“鼓泡”區域正是AT富集的SIDD區域。該區域富含核基質附著區(matrix attachment regions,MARs) DNA基序(motif),可通過介導基因組與核基質的相互作用,參與染色質高維結構組織,對轉錄、復制等過程有著重要調控作用。在這一過程中,圍繞6mA修飾的識別與催化事件發揮什么作用?其在早期胚胎發育過程中有何功能?《自然》發表的本項工作即圍繞這些科學問題展開。

由于6mA在小鼠胚胎干細胞(mES)中豐度較低(百萬分之6-7),研究者首先尋找適宜的細胞培養條件來提高6mA含量。值得注意的是,在四倍體補償實驗(tetraploid complementation,4N)中,6mA豐度與不同培養條件下mES的發育潛力呈正比。也就是說,在傳統的2i(加入ERF和GSK3b抑制劑)條件中(4N陰性),6mA水平顯著降低;而在其他2i條件下(4N陽性),6mA的水平則得以保留。mES細胞培養條件的差異可能是造成不同課題組關于6mA豐度爭議的原因。mES的發育潛力與其細胞重編程狀態密切相關,這也提示了6mA在早期發育過程中的重要作用。

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圖2  基因組6mA的動態調節及其SIDD分布

隨后,研究者利用胚內向胚外組織的干細胞轉分化系統,發現6mA豐度在小鼠滋養層干細胞(trophoblast stem cell,TSC)形成過程中有明顯升高,隨后下降(圖2a)。更有意思的是,作者發現6mA在基因組分布不是隨機的。通過MAR DNA抽提和質譜鑒定發現6mA修飾富集在核基質附著區DNA,且在轉分化進程第5天明顯上調(圖2b)。進一步的DNA免疫共沉淀測序(DIP-seq)發現6mA主要位于AT含量高的基因間區域(intergenic regions),比如轉座子LINE-1s;特別地,進一步分析顯示超過60%的6mA位于SIDD區(圖2c)。SIDD區有助于推動拓撲壓力誘導的DNA雙螺旋不穩定,對染色質結構的組織有重要作用,包括建立和維持異染色質-常染色質邊界和DNA的長距離互作等。其中SATB1是SIDD調節蛋白,可以直接結合MAR基序組織染色質高級結構。

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 圖3  基因組6mA拮抗SATB1結合

那么,6mA是否會影響調節蛋白,比如SATB1,在SIDD區的結合呢?確實,結構分析與結合實驗顯示在體外條件下,6mA都能顯著的阻礙SATB1對DNA的結合(圖3a,3b)。ChIP-seq數據分析表明,SATB1的基因組定位與6mA的基因組分布呈現互斥關系(圖3c),而過表達6mA去甲基化酶ALKBH1后可以顯著上調SATB1基因組定位。隨后研究者利用ATAC-seq手段探討染色質開放程度與6mA修飾的關系。結果發現6mA修飾降低位點的染色質變得更加開放,異染色質區域也被打開。Alkbh1過表達后染色質可及區域則會蔓延過6mA修飾所在的邊界。同時體內實驗證明過表達活性Alkbh1而非酶活缺陷Alkbh1可以促進滋養層巨細胞(trophoblast giant cell,TGC)的形成。這說明6mA通過拮抗SATB1維持染色質的常染色質-異染色質邊界,調控周邊基因的表達,進而影響TSC的形成。

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4  6mA調控小鼠早期胚胎發育

      為進一步研究6mA在胚胎發育中的功能,研究者構建了ALKBH1缺失的小鼠。雖然ALKBH1缺失的雜合小鼠可以出生,但是純和小鼠卻不能。ALKBH1缺失會增加胎盤組織6mA修飾水平并抑制TSC向TGC的分化,顯著減少TGC形成(圖4a,4b)。同時,SATB1的敲除也有與ALKBH1缺失相似的表型,該表型可以被野生型SATB1回補,同時更能被容忍6mA修飾的SATB1改造突變體有效回補(圖4c),說明6mA主要通過拮抗SATB1結合發揮功能。

總的來說,該研究發現6mA通過拮抗SATB1在發育的早期調節染色質結構,為研究表觀遺傳修飾調控染色質結構和基因表達提供了新的思路,具有重要意義。

清華大學李海濤教授與耶魯大學蕭琢教授為文章共同通訊作者,李海濤教授實驗室已畢業學生趙帥博士為文章的共同第一作者,李海濤教授實驗室張敏博士參與了本項工作。本項目得到了國家自然科學基金委員會,科技部重大研究計劃,北京結構生物學高精尖創新中心,北京生物結構前沿研究中心,以及清華-北大生命科學聯合中心的支持。

原文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2500-9




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