揭示干扰素 -γ 信号转录记忆的染色质奥秘：开启先天免疫增强新篇

《Nature Structural & Molecular Biology》：Heritable maintenance of chromatin modifications confers transcriptional memory of interferon-γ signaling

在细胞对干扰素 -γ（IFNγ）刺激的响应机制研究中，为探究 IFNγ 信号转录记忆的分子机制，研究人员开展了相关研究。结果发现，IFNγ 刺激后，染色质修饰 H3K4me1、H3K14ac 和 H4K16ac 在鸟苷酸结合蛋白（GBP）基因簇上选择性维持，且发现顺式调控元件调控 GBP 表达。该研究为理解先天免疫增强提供了理论依据。

　　在细胞的生命旅程中，外界信号不断影响着它们的 “行为”。干扰素 -γ（IFNγ）作为一种重要的细胞信号分子，能短暂激活与炎症和先天免疫相关的基因。然而，细胞在 IFNγ 刺激后，部分基因竟能 “记住” 这一经历，在再次接触 IFNγ 时表现出超激活状态，其背后的机制却一直是个谜。这一未知不仅阻碍了我们对细胞免疫反应的深入理解，也限制了相关疾病治疗策略的开发。因此，开展对 IFNγ 信号转录记忆机制的研究迫在眉睫。

为了揭开这层神秘的面纱，来自英国牛津大学等机构的研究人员（Pawel Mikulski、Sahar S. H. Tehrani 等）进行了一系列深入探究。他们的研究成果发表在《Nature Structural & Molecular Biology》杂志上，为我们呈现了 IFNγ 信号转录记忆背后的染色质奥秘，对增强先天免疫的理解具有重要意义。

研究人员在此次研究中运用了多种关键技术方法。通过 Cut&Run-seq 技术（一种用于研究蛋白质与 DNA 相互作用的技术），他们分析了不同状态下染色质修饰的变化情况；利用 RNA 干扰（RNAi）和小分子抑制剂处理细胞，探究相关蛋白在基因表达和记忆中的作用；借助 CRISPR-Cas9 技术构建基因敲除细胞系，研究顺式调控元件的功能；采用 Capture-C 技术研究染色质的相互作用。

研究结果主要包括以下几个方面：

• 许可染色质修饰在 GBP 基因上的遗传维持：研究人员用反复的 IFNγ 刺激（启动和再诱导）处理人 HeLa 细胞，发现 GBP 家族基因在再次接触 IFNγ 时会超激活表达。进一步研究发现，H3K4me₁、H3K14ac 和 H4K16ac 这些许可染色质修饰在启动后，即使细胞持续增殖且 GBP 基因不表达，仍能在记忆 GBP 基因的染色质上选择性维持，而 H3K4me₃则迅速下降。这表明这些特定的许可染色质修饰可能赋予了转录记忆。
• IFNγ 驱动 GBP 簇上短暂的抑制性染色质组装：在未刺激的细胞中，H3K27me₃（一种由 Polycomb 介导的抑制性组蛋白修饰）广泛存在于 GBP 簇。令人惊讶的是，在启动过程中，尽管 GBP 基因上调，但 H3K27me₃却在簇上积累。启动后，H3K27me₃在强记忆基因的基因体和近端启动子处局部缺失，且这种缺失在记忆期和再诱导时更为明显。这说明抑制性染色质修饰的动态变化与 GBP 基因的转录记忆密切相关。
• 抑制性染色质在活跃转录的 GBP 基因上组装：研究人员构建了 GBP1-GFP 报告细胞系，通过活细胞成像发现，GBP1 在启动时只有约 30% 的细胞表达，再诱导时这一比例升至 90% 以上。对 GFP 阳性和阴性细胞的分析表明，H3K14ac 和 H3K27me₃的积累并非源于细胞群体中 GBP 表达的差异，而是与基因转录同时发生。
• H3K14ac 和 H3K27me₃的写入酶对 GBP 表达和记忆的作用：通过瞬时敲低 H3K14ac 的写入酶 KAT7，研究发现 KAT7 介导的 H3K14 乙酰化对促进 GBP 记忆基因表达，尤其是再诱导时的表达至关重要。抑制 EZH1/2（生成 H3K27me₃的甲基转移酶）会导致 GBP 记忆基因在启动时的上调幅度比再诱导时更大，表明 EZH1/2 通过 H3K27me₃抑制 GBP 记忆基因的表达。
• 转录记忆的潜在调节因子的鉴定：研究人员筛选了包含 21 种针对染色质修饰剂的小分子库，发现 DOT1L（H3K79 甲基转移酶）抑制剂 SGC0946 和 EZH1/2 抑制剂 UNC1999 等能影响 GBP1-GFP 的表达。进一步研究表明，DOT1L 及其催化产物可能参与 GBP 簇的调控。
• 顺式调控元件对 GBP 簇的抑制作用：研究人员通过对 GBP 拓扑相关结构域（TAD）及其周围区域进行聚类分析，发现了两个顺式调控元件 E1 和 E2。敲除 E2 会导致 GBP 记忆基因在再诱导时显著上调，说明 E2 是 GBP 基因的转录抑制因子，能抑制 GBP 基因的过度激活。
• 顺式调控元件介导簇内相互作用：利用 Capture-C 技术，研究人员发现 E2 和另一个位点 CH-C 能在 GBP 簇内广泛相互作用，且这些相互作用在 IFNγ 刺激时增强，但在启动后重置。这表明染色质的空间构象变化可能参与 GBP 基因的调控。
• 抑制元件的延迟激活促进 GBP 超表达：研究发现 E1 和 E2 在 IFNγ 再诱导时表现出转录记忆，且其激活动力学与 GBP 记忆基因不同。E2 元件的延迟激活、许可染色质标记的维持较弱以及 H3K27me₃的保留，使得 GBP 记忆基因在再诱导初期能够逃脱 E2 的抑制，随后 E2 又能限制 GBP 的过度激活。

研究结论和讨论部分指出，在 IFNγ 启动的细胞中，转录记忆由独特的许可和抑制染色质修饰的平衡介导。许可染色质修饰（H3K4me₁、H3K14ac 和 H4K16ac）在 GBP 簇中的稳定维持，以及 H3K27me₃的动态调控，共同影响着 GBP 基因的转录记忆。此外，E2 元件虽具有增强子特征，但在 GBP 表达中起抑制作用，其作用机制有待进一步研究。这些发现不仅为理解 IFNγ 信号转录记忆的分子基础提供了重要线索，也为增强先天免疫反应的研究开辟了新方向，有望为相关疾病的治疗提供潜在的靶点和理论依据。