染色质图谱揭示H3K27me3在领鞭毛虫中调控细胞类型特异性基因与转posable元件的双重作用

《Nature Communications》：Chromatin profiling identifies putative dual roles for H3K27me3 in regulating cell type-specific genes and transposable elements in choanoflagellates

语 本研究针对动物发育中染色质调控机制的起源问题，以动物最近缘类群领鞭毛虫（Salpingoeca rosetta）为模型，通过ATAC-seq和ChIP-seq技术绘制染色质可及性与组蛋白修饰图谱。研究发现其缺乏类似动物的远端增强子元件，但H3K27me3修饰标记细胞类型特异性基因和LTR逆转录转座子，揭示了该修饰在转座子抑制和细胞分化中的双重功能，为动物多细胞化前的基因调控演化提供关键证据。

　　

在动物复杂的发育过程中，基因的精准时空调控依赖于染色质层面的精密机制。然而，这些关键机制是如何在演化历程中逐渐形成的，至今仍是一个悬而未决的谜题。动物的最近亲——领鞭毛虫，为揭开这一演化面纱提供了独特的窗口。这类单细胞生物虽然结构简单，但其代表物种Salpingoeca rosetta却拥有动态的生活史和多种细胞类型，为研究细胞分化的原始调控机制提供了理想模型。此前，人们对这些近亲生物的染色质调控 landscape 知之甚少，特别是与基因稳定抑制和转座元件（Transposable Elements, TEs）沉默相关的机制是否在动物多细胞化之前就已存在，是理解动物起源的关键。

为了回答这些问题，研究人员将目光投向了领鞭毛虫Salpingoeca rosetta。这项发表在《Nature Communications》上的研究，系统地描绘了该生物的染色质可及性图谱和关键组蛋白修饰的分布，试图追溯动物发育基因调控的演化根源。

主要关键技术方法

研究团队首先利用ATAC-seq（Assay for Transposase-Accessible Chromatin using sequencing）技术，在S. rosetta的不同细胞类型（包括慢速游动细胞、快速游动细胞、玫瑰花结群体和鞘细胞）中绘制了全基因组的染色质开放区域。其次，他们通过微球菌核酸酶（MNase）消化染色质，结合染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）技术，在全基因组范围内定位了四种关键的组蛋白翻译后修饰（hPTMs）：H3K4me3、H3K27ac、H3K4me1以及H3K27me3。此外，研究还通过定量组蛋白质谱法鉴定了S. rosetta中存在的组蛋白修饰类型。所有的测序数据分析均基于S. rosetta的参考基因组进行。

研究结果

基因调控主要依赖于S. rosetta中启动子近端元件

研究人员发现，S. rosetta基因组中的染色质可及区域绝大多数集中在基因的转录起始位点（TSS）附近。

ATAC-seq信号在TSS处高度富集，并且与基因的表达水平显著相关。尽管检测到少量远离TSS的峰，但深入分析表明，其中许多可能对应着未被注释的TSS，而非真正的远端调控元件。这表明S. rosetta的顺式调控元件主要位于启动子近端，缺乏类似动物中调控发育基因的远端增强子证据。

hPTMs的全基因组分析揭示了活跃和 repressed 基因的特征

通过组蛋白质谱和ChIP-seq分析，研究团队发现S. rosetta拥有真核生物中常见的组蛋白修饰位点，包括H3K4me3、H3K27ac、H3K4me1以及H3K27me3。

对TSS周围hPTMs分布的K-均值聚类将基因分为5个主要簇。其中三个簇（簇1、3、4）与高水平的H3K4me1/3和H3K27ac相关，这些基因在慢速游动细胞中表达活跃。第四个簇（簇2）则富含H3K27me3修饰，这些基因在慢速游动细胞中表达水平极低，但在转录水平截然不同的鞘细胞中显著上调。ATAC-seq数据进一步证实，簇1、3、4基因的TSS周围具有开放的、无核小体区域，而簇2基因则没有。簇间差异主要与基因组中基因的排列方向有关，例如簇1和簇3基因的上游存在另一个反向的活跃TSS。

H3K27me3和H3K4me1在 repressed 的细胞类型特异性基因上共存

研究人员重点关注了由PRC2复合物催化产生的H3K27me3标记的簇2基因。

分析发现，约75%的簇2基因在鞘细胞中上调表达，并且它们占据了鞘细胞中上调最显著的500个基因的86%。当这些基因在慢速游动细胞中被H3K27me3标记时，其表达量极低或完全不表达，表明H3K27me3标记了一类受到细胞类型特异性调控的基因。令人意外的是，H3K27me3主要富集在这些基因的基因体（gene body）区域，而非启动子。更值得注意的是，当这些基因处于 repressed 状态时，H3K4me1与H3K27me3共同出现，形成了一种类似于动物中“二价染色质”（bivalent chromatin）的状态，尽管在S. rosetta中是与H3K4me1而非H3K4me3共存。

H3K27me3标记一部分LTR逆转录转座子

研究还发现H3K27me3在基因组末端富集，并且大量分布在长末端重复（LTR）逆转录转座子上。

对转座元件的分析显示，许多LTR逆转录转座子家族表现出高水平的H3K27me3，且其表达水平较低。相反，DNA转座子通常表达水平较高，H3K27me3水平较低，并且显示出染色质可及信号及活跃的组蛋白修饰，表明它们可能逃避了这种表观遗传沉默。这提示H3K27me3在S. rosetta中可能具有抑制特定类型转座元件的功能。

研究结论与意义

本研究首次在领鞭毛虫中系统分析了染色质可及性和组蛋白修饰，为理解动物基因调控的起源提供了重要见解。结果表明，S. rosetta缺乏动物特有的远端增强子类调控元件，支持了远端调控在动物谱系中才得以广泛发展的观点。研究最显著的发现是揭示了H3K27me3在S. rosetta中的双重作用：一方面，它标记并在功能上参与抑制细胞类型特异性基因，这与动物中的功能相似；另一方面，它富集于LTR逆转录转座子，可能保留了PRC2在调控转座元件方面的祖先功能。此外，在 repressed 的细胞类型特异性基因上发现的H3K27me3与H3K4me1共存的状态，是一种新型的“类二价染色质”状态，可能起着防止基因被过度沉默或为后续激活做“准备”的作用。这些发现表明，与细胞类型特异性基因调控相关的组蛋白修饰状态在动物多细胞化之前就已经出现。未来的研究需要进一步阐明H3K27me3在这些位点的招募机制，以及这种类二价状态的功能意义，从而更清晰地描绘从单细胞祖先到多细胞动物的基因调控网络演化路径。