NIBS何新建《Cell Research》解析基因沉默新机制

　　

生物通报道：2014年11月25日，北京生命科学研究所、普渡大学和中科院上海生命科学研究所的研究人员在国际著名学术期刊《Cell Research》发表了一项最新研究成果，题为“SUVR2 is involved in transcriptional gene silencing by associating with SNF2-related chromatin-remodeling proteins in Arabidopsis”， 该论文报道了模式植物拟南芥中的组蛋白甲基化酶SUVR2与染色质重塑蛋白结合并参与DNA甲基化和基因沉默的机制。

本文通讯作者是北京生命科学研究所何新建研究员，其2004年获中科院遗传与发育生物学研究所博士学位，先后在美国爱荷华大学、加州大学河滨分校从事博士后研究，2010年至今为北京生命科学研究所研究员，研究方向为DNA甲基化和组蛋白修饰引起的染色质变化对于基因组稳定性、基因表达调控、基因组印记和转基因沉默具有重要作用。研究成果曾经多次发表在PLoS Genet、Plant Cell、Nucleic Acids Res、PNAS、EMBO J、Nature、Cell、Genes Dev等国际学术期刊。中科院上海植物逆境生物学研究中心主任、美国科学院院士朱健康也参与了这项研究工作。

DNA甲基化、组蛋白H3K9甲基化和其他抑制性组蛋白标记，参与转位元件（TEs）和其他DNA重复序列的转录沉默。在拟南芥中，RNA指导的DNA甲基化（RdDM）负责DNA从头甲基化。在关键的RdDM通路中，两种非典型的DNA依赖RNA聚合酶IV和V (Pol IV and Pol V)分别负责产生24 nt的小干扰RNAs（siRNA）和长非编码RNAs。Pol IV可产生单链RNA，RNA引导的RNA聚合酶2（RDR2）可将它们转化为双链RNA。

双链RNA被Dicer样3（DCL3）裂解为24-nt siRNAs，它们被装载到细胞质中的AGO4 (Argonaute 4)，随后被运输到细胞核中以装配RdDM效应复合物。Pol V可产生长非编码scaffold RNAs，来招募RdDM效应复合物。Pol IV和Pol V是多亚基RNA聚合酶，NRPD1和NRPE1分别是最大的Pol IV和Pol V亚基。DMS3、DRD1和RDM1形成DDR复合物，是Pol V在染色体上占位所必需的。最后，通过结合AGO4-siRNA 复合物和介导从头DNA甲基化，DRM2被招募到RdDM靶位点。

在拟南芥中，有许多的SET结构域蛋白，其中15个是SU(VAR)3-9相关的，包括10个SU(VAR)3-9同源蛋白SUVH1-SUVH10和5个SU(VAR)3-9相关蛋白SUVR1-SUVR5。SU(VAR)3-9同源蛋白SUVH4/KYP、SUVH5和SUVH6催化组蛋白H3K9甲基化，并负责染色质沉默。SUVHs除了含有C末端的SET结构域之外，还含有一个N末端YDG/SRA结构域。SRA结构域直接结合甲基化DNA，是H3K9甲基化中SUVHs功能所必需的。SUVHs和SUVH9是无效的组蛋白甲基转移酶，通过与DDR复合物结合，将Pol V招募到染色质。不同于SUVH1-SUVH10，SUVR1-SUVR5没有SRA结构域。SUVR4是活跃的组蛋白甲基转移酶，偏好H3K9me1。SUVR4的N末端WIYLD结构域结合泛素，并促进H3K9me1到H3K9me329的转换。虽然通过体外实验没有检测到组蛋白甲基转移酶活性，但是SUVR5在体内参与H3K9的甲基化。

先前已有研究证明，几种染色质重塑蛋白参与拟南芥的DNA甲基化。DDM1是在全基因组水平上保持DNA甲基化所必需的一种SWI2/SNF2染色质重塑蛋白。SNF2染色质重塑蛋白DRD1可以和DMS3及RDM1结合，并形成Pol V招募到染色质所必需的一种复合体。SNF2染色质重塑蛋白CLSY1与Pol IV结合，是Pol IV依赖性siRNA积累所必需的。

染色质重塑蛋白也可以影响与DNA甲基化无关的表观遗传学沉默。MOM1（morpheus分子1），一种CHD3样的染色质重塑蛋白，是一种不影响DNA甲基化的转录沉默调控因子。然而，MOM1行使与RdDM途径无关的转录沉默，它增强了某些RdDM靶位点的转录沉默。MORC1 (Microrchidia 1) and MORC6/DMS11是保守的MORC三磷酸腺苷酶（ATPase）家族的两个成员。MORC1和MORC6不仅参与RdDM，也是异染色质凝集所必需的。MORC1和MORC6在异染色质凝集中的作用是，至少部分负责拟南芥的转录基因沉默。IDN2是一个典型的RdDM组件，与其旁系同源基因联合，形成RdDM所必需的一个复合物。有研究认为，IDN2通过Pol V产生的长非编码RNA被招募到RdDM靶位点，并将SWI/SNF染色质重塑复合物结合到位点上，从而介导核小体定位和转录基因沉默。

在这项研究中，通过正向遗传筛选，研究人员将SUVR2确定为转录基因沉默的一个调控因子。RD29A-LUC转基因在DNA脱甲基酶突变体ros1的沉默，和内源转位因子的沉默，是由suvr2抑制，而这些位点的DNA甲基化未改变或略有下降。

最近有报道认为SUVR2是RdDM的一个组分。这项新研究表明，SUVR2与其同源蛋白SUVR1形成一个复合体，并与SNF2相关的染色质重塑蛋白CHR19、CHR27、CHR28结合，从而介导核小体定位和转录沉默。这项研究揭示了转录基因沉默的一个新机制，而这种机制在真核生物中可能是保守的，这有助于我们理解包括动物在内的真核生物中的基因沉默现象。

（生物通：王英）

延伸阅读：NIBS何新建研究组最新文章解析RNA介导DNA甲基化

生物通推荐原文摘要：
SUVR2 is involved in transcriptional gene silencing by associating with SNF2-related chromatin-remodeling proteins in Arabidopsis
Abstract：The SU(VAR)3-9-like histone methyltransferases usually catalyze repressive histone H3K9 methylation and are involved in transcriptional gene silencing in eukaryotic organisms. We identified a putative SU(VAR)3-9-like histone methyltransferase SUVR2 by a forward genetic screen and demonstrated that it is involved in transcriptional gene silencing at genomic loci targeted by RNA-directed DNA methylation (RdDM). We found that SUVR2 has no histone methyltransferase activity and the conserved catalytic sites of SUVR2 are dispensable for the function of SUVR2 in transcriptional silencing. SUVR2 forms a complex with its close homolog SUVR1 and associate with three previously uncharacterized SNF2-related chromatin-remodeling proteins CHR19, CHR27, and CHR28. SUVR2 was previously thought to be a component in the RdDM pathway. We demonstrated that SUVR2 contributes to transcriptional gene silencing not only at a subset of RdDM target loci but also at many RdDM-independent target loci. Our study suggests that the involvement of SUVR2 in transcriptional gene silencing is related to nucleosome positioning mediated by its associated chromatin-remodeling proteins.