组蛋白甲基转移酶 ASH1L 的结构 - 功能关系研究新进展

为探究 ASH1L 功能，研究人员对其 C 端区域进行研究，揭示其与染色质关联及调控机制，意义重大。

　　在生命的微观世界里，基因的表达调控就像一场精密的交响乐演奏，而组蛋白修饰则是其中关键的音符。组蛋白 H3K36 特异性甲基转移酶 ASH1L（absent, small or homeotic discs 1-like）在这场演奏中扮演着极为重要的角色，它与生物的发育息息相关，并且在人类多种疾病，尤其是癌症的发生发展过程中，常常出现异常调控的情况。然而，由于 ASH1L 本身分子量较大（超过 300kDa），对其进行深入的生化和功能研究面临着诸多挑战，就像在迷雾中探索宝藏，困难重重。目前，虽然对 ASH1L 的催化 SET（Su (var), E (z), Trithorax）结构域有了一定了解，但对于其 C 端其他结构域，如溴结构域（bromodomain，BD）、植物同源结构域（plant homeodomain，PHD）手指和溴相邻同源结构域（bromo - adjacent homology，BAH）的功能，仍知之甚少。在这样的背景下，来自美国科罗拉多大学医学院、西奈山伊坎医学院、德克萨斯大学 MD 安德森癌症中心等多个研究机构的研究人员，携手开展了一项深入研究，试图揭开 ASH1L 的神秘面纱。他们的研究成果发表在《Nature Communications》杂志上，为我们理解 ASH1L 的功能机制提供了重要线索。

研究人员为了深入探究 ASH1L 的功能，采用了多种关键技术方法。在细胞研究方面，他们对小鼠胚胎干细胞（ES 细胞）进行培养和分化诱导，通过 RNA 测序（RNA - seq）技术分析不同分化阶段 ASH1L 及相关基因的表达变化。在分子层面，运用染色质免疫沉淀测序（ChIP - seq）技术，研究 ASH1L 在基因组上的结合位点以及与不同组蛋白修饰的共定位情况。同时，利用蛋白质表达与纯化技术获取 ASH1L 的不同结构域蛋白，借助核磁共振（NMR）、荧光光谱、微量热泳动（MST）等技术，研究这些结构域与组蛋白肽段或 DNA 的相互作用。

研究结果如下：

• Ash1l 在 ES 细胞分化过程中的表达变化：研究人员分析了小鼠 ES 细胞分化为多种细胞谱系过程中的 RNA - seq 数据，发现 Ash1l 的表达在分化过程中逐渐增加，在视黄酸（RA）诱导分化 4 天后，其表达上调了 1.96 倍（FDR <0.01）。蛋白质印迹实验也证实了这一结果，在小鼠胚胎成纤维细胞（MEFs）或经视黄酸处理 6 天的小鼠 ES 细胞中，Ash1l 蛋白表达水平最高。
• Ash1l 对 ES 细胞分化的重要性：通过基因敲除或敲低 Ash1l，研究人员监测关键分化和发育基因的表达水平。结果显示，CRISPR/Cas9 编辑的 B7 克隆在小鼠 ES 细胞经视黄酸处理两天后，HoxA9、Runx1、Neurog2 和 Olig1 等基因的表达发生改变。在 Ash1l 敲低（shAsh1l）细胞中，多个分化标记基因的转录表达时间也发生了变化。ChIP - qPCR 分析表明，在 RA 诱导的 ESC 分化过程中，Ash1l 会被招募到其靶基因 Meis2 的启动子和增强子位点。
• ASH1L 与组蛋白修饰的共定位关系：ChIP - seq 分析发现，在小鼠 ES 细胞中，64% 的 Ash1l 存在于基因启动子区域，27% 在基因体区域，9% 在基因间区域。基因本体（GO）分析证实，Ash1l 与参与转录和其他 DNA 模板化过程的基因相关。在全基因组范围内，Ash1l 的结合位点主要集中在转录起始位点（TSS）附近，并且与 H3K4me³的分布高度相关，但与 H3K36me²基本不存在共定位。在人 MV4 - 11 细胞系中也观察到了类似的现象，ASH1L 与 H3K4me³共定位，而 H3K36me²在 TSS 处被排除，在基因体下游与 ASH1L 共定位。
• ASH1L 各结构域的功能：ASH1L 的 PHD 结构域能够识别 H3K4me²/H3K4me³，通过 NMR、荧光光谱和 MST 实验证实了这种结合的特异性和亲和力。BD 结构域具有 DNA 结合活性，突变实验表明，BD 结构域上两个带正电的区域参与了与 DNA 的相互作用。PHD 结构域和 BAH 结构域形成了一个整合模块，二者之间通过广泛的界面相互作用，稳定了彼此的结构。BAH 结构域也是一个 DNA 结合模块，并且对连接 DNA 具有偏好性。
• ASH1L_PHD - H3K4me³相互作用对 H3K36 甲基化的影响：研究发现，ASH1L_PHD与 H3K4me³的相互作用会抑制 ASH1L 的 H3K36 二甲基化催化活性。在含有 H3K4me³的核小体底物上，ASH1L 的催化活性降低；而破坏 ASH1L_PHD与 H3K4me³的结合，会增加 ASH1L 的甲基转移酶活性。
• ASH1L 与癌症的关系：根据癌症基因组图谱（TCGA）数据，ASH1L 基因在人类癌症中经常发生改变，在肺癌中尤为明显，约 15% 的肺腺癌存在 ASH1L 改变。在肺腺癌细胞系 A549 中，ASH1L 高度过表达。敲低 ASH1L 后，541 个基因下调，398 个基因上调，这些基因涉及细胞周期、DNA 复制、细胞死亡和存活等重要细胞通路。ASH1L 的缺失显著抑制 A549 癌细胞的生长，并且肺腺癌患者中 ASH1L 水平较低者预后更好。

研究结论和讨论部分指出，H3K36me²在转录调控和 DNA 损伤修复中起着关键作用，而 ASH1L 是催化 H3K36me²的重要甲基转移酶之一。该研究首次明确了 ASH1L 的 C 端结构域 ASH1L_BD、ASH1L_PHD和 ASH1L_BAH的生物学功能、作用机制以及它们之间的功能串扰。研究发现 ASH1L 通过其 ASH1L_PHD感知局部表观遗传环境，在 H3K4me³水平较低的位点产生 H3K36me²。此外，ASH1L 在癌症发生发展中具有重要作用，其 C 端区域的异常与癌症密切相关。这些发现为深入理解 ASH1L 的功能机制提供了重要依据，也为开发针对 ASH1L 的靶向治疗策略提供了新的思路，有望为癌症等相关疾病的治疗带来新的突破。