Cell重要成果：重写组蛋白密码

　　

生物通报道  遗传记忆并不仅是依赖DNA序列。数十年的研究已经确定了组蛋白和它们各种翻译后修饰在决定基因激活，并将这些改变传递给下一代细胞中的重要性。

其中的一些修饰，例如H3K9me3（组蛋白H3 上9 位赖氨酸三甲基化）在基因沉默和异染色质形成中发挥确定的作用。然而即便现在已经知道许多可使组蛋白甲基化的酶，但在单个活细胞中这一甲基化过程的时间和调控仍然尚待阐明。

斯坦福大学的Gerald Crabtree对于尝试利用体外染色质重塑分析来解析这些问题感到失望。“你或多或少地被卡在了人工模板处：短DNA片段与实际的模板没有关系，真实的模板在不同的组织中会有着不同的组蛋白修饰，”他说。

转而他期盼有一种方法能够让他在活细胞的选择位点快速添加和除去染色质修饰。与博士后研究员Oliver Bell 和Nathaniel Hathaway一起，Crabtree在体内分析中实现了这一想法。

研究人员开发出了一种染色质体内试验（CiA）系统，采用化学诱导接近来启动和终止活细胞中的染色质修饰。在小鼠胚胎干细胞(ESCs)中他们利用锌指蛋白或DNA结合蛋白Gal4靶向了干细胞自我更新必需的四种基因之一的Oct4的一个等位基因的启动子，并用GFP替换了Oct4第一个外显子以报告基因表达。在科学家们确定修饰的Oct4等位基因对ESCs行为无影响后，他们诱导了异染色质蛋白1（HP1）招募，选择性地使HP1与H3K9结合，招募组蛋白甲基化酶，将甲基团添加到邻近的H3分子上，由此增加了染色质上H3K9me3标记。

通过染色质免疫沉淀法监控了GFP表达沉默和H3K9me3的扩增。博士后研究人员Courtney Hodges利用一种数学模型计算了H3K9me3的扩散速度。在3天持续的HP1招募后，研究人员观察了一群带有完全沉默Oct4启动子的细胞。除了H3K9me3，科学家们注意到DNA甲基化也有所增加。

Crabtree回忆说：“我感到吃惊。招募HP1也招募了DNA甲基化系统，但有数据表明串扰确实存在，并增强了抑制的程度，使得它更加的稳定。”

Oct4表达在分化细胞中被沉默，但是Crabtree和他的研究小组想知道异染色质标记是否可能会被活性转录清除。他们利用修饰的ESCs生成了一只小鼠，分离出胚胎成纤维细胞，使转录激活子靶向沉默的Oct4位点。他们观察到仅24小时GFP表达即被再激活；5天后10%的细胞为GFP阳性。在重编程过程中当分化细胞恢复多能状态时，沉默位点的再激活是必需的。Crabtree看到了这种染色质体内分析更多的潜在应用。“这一技术使得我们可以研究重编程的机械基础，”他说。

对于Crabtree来说，这项工作大的教训之一就是他们发现的远没有看到的多。“它使得我们可以预测漏洞在何处，”他说。当他们首次开发H3K9me3扩散模型时，Crabtree回忆对于结果是满意的，但很快发现是在HP1招募的头几个小时中，有一些正在发生的事情他们无法理解。HP1被快速招募，但第一个H3K9标记出现要慢得多。一些东西似乎占据了首先需要被清除的位点。Crabtree称这种因子为他们的分子中“不可见的部分”。他有一些想法例如采用RNA干扰或小分子筛查来弄清楚在染色质沉默的头几个小时发生了什么。

既然现在组蛋白密码可以被积极地重新改写，还有许多的东西等待进一步地探讨。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Dynamics and Memory of Heterochromatin in Living Cells

Posttranslational histone modifications are important for gene regulation, yet the mode of propagation and the contribution to heritable gene expression states remains controversial. To address these questions, we developed a chromatin in vivo assay (CiA) system employing chemically induced proximity to initiate and terminate chromatin modifications in living cells. We selectively recruited HP1α to induce H3K9me3-dependent gene silencing and describe the kinetics and extent of chromatin modifications at the Oct4 locus in fibroblasts and pluripotent cells. H3K9me3 propagated symmetrically and continuously at average rates of 0.18 nucleosomes/hr to produce domains of up to 10 kb. After removal of the HP1α stimulus, heterochromatic domains were heritably transmitted, undiminished through multiple cell generations. Our data enabled quantitative modeling of reaction kinetics, which revealed that dynamic competition between histone marking and turnover, determines the boundaries and stability of H3K9me3 domains. This framework predicts the steady-state dynamics and spatial features of the majority of euchromatic H3K9me3 domains over the genome.