表观遗传指在DNA序列不改变的情况下，发生可遗传的基因表达改变^[1]。研究表明，表观遗传调控的异常与生长发育和疾病，特别是癌症的发生发展息息相关。近年来，表观遗传成为生命科学领域的研究前沿和热点。

经典的表观遗传调控主要包括4个方面^[2.3]：DNA甲基化修饰，组蛋白共价修饰，组蛋白非共价修饰和miRNA等非编码RNA介导的表观遗传调控。

近年来，随着对转录组修饰，特别是mRNA上m6A修饰的关注，芝加哥大学的何川教授提出“RNA表观遗传学（RNA epigenetics）”概念。该概念的提出，丰富了中心法则，也提高了RNA的地位。但也有学者认为就目前的研究而言，提出该概念为时尚早^[4]。

2019年第一季度已过，Cell，Nature和Science（简称CNS）等顶级期刊发表了多篇表观遗传研究，Anna从中选取8篇，分享给大家！

1. Nature：

表观转录组与表观蛋白组存在crosstalk

m6A，指RNA上N6-甲基腺嘌呤（N6-methyladenosine）修饰，是近几年RNA研究领域的大热门。相信大家也阅读过很多m6A在癌症中功能的研究，并了解相关研究套路（点击此处回顾m6A研究套路），然而，就是这样隔三岔五就有“大动作”的m6A，其最基本的几个生物学问题，却一直无人问津。

大量m6A测序发现，m6A主要存在于mRNA的3’UTR区，其保守的修饰motif为RRACH（R表示G或A，H表示A，C或U），但并不是所有具有该motif的RNA都会带上m6A修饰，因此，关于m6A是如何实现对RNA的选择，以及为什么富集在3’UTR区，一直是关键的亟待解决的科学问题。

3月14日，美国希望之城国家医疗中心的陈建军教授联合中山大学杨建华教授，芝加哥大学何川教授和辛辛那提儿童医院黄刚教授在Nature发表了一项研究，创造性的发现RNA表观遗传与组蛋白表观遗传存在cross talk：组蛋白H3K36me3修饰在转录水平引导RNA m6A修饰^[5]。

该文的前言也并没有太多的介绍，不清楚研究者最初是如何想到将组蛋白修饰与RNA修饰联系在一起的（可能是科学研究中的大胆与意外吧），但是研究者系统的分析了9种常见的组蛋白修饰与m6A的相关性，并惊讶的发现H3K36me3修饰与m6A的具有很高的相关性：

图1

进一步，研究者发现敲低或过表达H3K36me3可抑制或促进m6A修饰，并且m6A甲基化酶复合体（由METTL3,METTL14和WTAP组成）中的METTL14能直接识别H3K36me3：

图2

基于此，研究者提出以下m6A甲基化酶选择RNA进行催化的作用模型（图3）。组蛋白H3K36me3是主要位于基因3’端的修饰，METTL14结合H3K36me3后将m6A甲基化酶复合体也带到基因的3’端，当RNA聚合酶II（pol II）转录新生RNA时，m6A甲基化酶复合体对该RNA进行甲基化修饰，因此，m6A主要富集在3UTR，并且对RNA具有选择性。

图3

该研究首次发现组蛋白修饰与RNA修饰之间的联系，使得RNA表观遗传不再是一个孤岛，同时回答了m6A选择性这个重要的科学问题，对整个RNA表观遗传研究具有重要意义。

 

2. 同期3篇Science：

组蛋白去甲基化酶可直接感应氧气浓度

大约在26亿年前，由细菌光合作用产生的副产物——氧气进入地球大气层。氧气的产生，使得依赖氧气作为高效燃料代谢的多细胞生物崛起，是生物进化上的大事件。关于生物体如何感应氧气，大部分研究集中在包括HIF在内的氧气感应蛋白上。这些蛋白需要氧气分子，铁元素和2-酮戊二酸作为辅助因子，完成氧化还原过程。含有Jumonji-C结构域的组蛋白去甲基化酶家族也属于此类蛋白，但是关于它们是否能直接感应氧气的浓度，还未见有报道。

在3月15日发表的Science中，来自英国利物浦大学的SoniaRocha教授和美国哈佛医学院的William G. Kaelin Jr教授发表背靠背研究^[6.7]，共同关注组蛋白去甲基化酶对氧气的感应，同期还配了英国剑桥医学院Brian J. P. Huntly教授的评论^[8]，可见该研究的意义重大。

利用质谱检测，研究者发现在低氧状态下，一系列的组蛋白修饰都发生了变化：

图4

有趣的是，两个研究组分别发现激活性组蛋白修饰H3K4me3和抑制性组蛋白修饰H3K37me3的去甲基化酶：KDM5A和KDM6A，可以直接感应氧气浓度的变化。

正如Brian J. P. Huntly在评论中绘制的作用机制图（图5），在正常氧气浓度下，HIF经泛素化修饰，由蛋白酶体降解。而在低氧浓度下，HIF保持稳定并进入细胞核作为转录因子发挥功能，同时，KDM5A和KDM6A感应到氧气浓度下降，它们的活性也降低，分别导致组蛋白H3K4me3和H3K37me3修饰上升，激活和抑制靶基因的表达，影响胚胎发育，干细胞稳态等生命过程。

图5

此外，由于肿瘤细胞的快速增殖导致氧气的供应不足，低氧通路的异常激活已成为癌细胞的特征之一。该通路中最重要的HIF因子得到了大量的关注，HIF抑制剂也有望应用于癌症的临床治疗。而两项SCIENCE研究证明组蛋白去甲基化酶可独立于HIF，自行感应氧气的浓度发挥功能，这提示单一靶向HIF可能不足以掐断应对低氧的信号通路，未来针对KDM5A和KDM6A涉及的激活剂，或许能与HIF抑制剂联合使用。

值得注意的是，m6A去甲基化酶，FTO和ALKBH5也属于依赖氧气的氧化还原酶，那么它们是否也能直接感应氧气浓度，从而在低氧条件下影响癌细胞的生长呢？这个疑问还有待进一步的探究。

 

3. Nature：

首次发现组蛋白存在血清素修饰

组蛋白八聚体（H2A, H2B, H3和H4各两个）是核小体的核心部分，它们可发生乙酰化，甲基化，磷酸化，泛素化和SUMO化等共价修饰调控基因的表达。

而在3月28日的Nature上，来自纽约西奈山医学院的IanMaze教授发表的研究首次报道了一种全新的组蛋白修饰类型——组蛋白血清素修饰^[9]。该修饰能促进H3K4me3介导的基因转录激活。

血清素（serotonylation），也称为5-羟色胺（5-HT），是一种常见的神经递质，用于大脑神经元间的信号传递，与人的胃口，食欲，睡眠和情绪相关。虽然包裹在突触小泡中对血清素发挥功能至关重要，但也有研究在发现血清素存在于小泡之外。而目前对此类血清素的研究还未见有报道。

研究发现血清素可通过TGM2（transglutaminase2，谷氨酰胺转氨酶2）与细胞质蛋白形成共价结构，而TGM2可能与组蛋白互作，那么血清素是否能共价结合组蛋白，形成新的组蛋白修饰呢？

为了回答这个问题，研究者使用生物代谢标签的方法，将血清素变成5-PT （propargylatedserotonin）使其能够被生物素标记的磁珠捕获。通过IP验证，发现血清素与H3结合，而不与其他组蛋白结合：

图6

那么血清素是与H3的哪个氨基酸结合，又发挥了什么生物学功能呢？进一步的研究显示，血清素主要结合在H3第5号位的谷氨酰胺上，形成H3Q5ser。看到这，大家可能很快就想到了激活性组蛋白修饰H3K4me3，从位置上看这两个修饰是紧挨着的，那么，它们是否协同发挥作用呢？

确实，研究者发现TGM2介导的是具有H3K4me3修饰的H3的H3Q5ser修饰，也就是说H3Q5ser存在的前提是H3K4me3的存在，并且，更为重要的是H3Q5ser促进转录因子TFIID对H3K4me3的阅读，促进其修饰基因的转录：

图7

H3Q5ser在神经细胞分化过程中升高，过表达不能被血清素修饰的H3后，细胞分化受阻，提示H3Q5ser在分化进程中具有重要的生理意义。

该研究不仅鉴定了新型组蛋白修饰，同时为解释血清素参与的情绪障碍，药物成瘾和神经退行疾病等生物过程提供了新的思路。

 

4. Cell：

组蛋白H3K79修饰需要H2B-Ub和H4的帮助

组蛋白上具有数量众多的修饰，关于这么修饰间是否存在cross talk一直是表观遗传学研究的热点。正如我们上文提到的，H3Q5ser促进H3K4me3靶基因的转录，就属于两个修饰间的cross talk。DOTL1是目前鉴定的唯一H3K79甲基转移酶（注意，目前尚未鉴定到H3K79去甲基酶），而DOT1L蛋白对H3K79的甲基化依赖H2B K120ub，这已成为组蛋白修饰间cross talk的经典例子。然而，关于H2B-Ub促进DOT1L的具体机制，尚不清楚。3月7日，来自约翰霍普金斯医学院的Cynthia Wolberger教授在Cell发表研究^[10]，从结构生物学的角度详细阐述了H2B-Ub促进DOT1L的具体机制。

绝大部分组蛋白修饰都存在于组蛋白各亚基的“尾巴”上（图8），这可能是为了让相关催化酶更好的结合该位点的氨基酸。然而，H3K79却位于组蛋白的球体区域，那么，DOT1L是如何接近H3K79的呢？

图8^[11]

研究者发现，DOTL1通过识别结合H2B ub修饰的核小体，使其处于“准备”催化的状态，而只有当H4的尾巴（tail）结合了DOT1氨基端的缝隙（cleft），DOT1L才能接触H3K79,并完成甲基转移酶的催化过程：

图9

结构生物学的研究为分子生物学的成果提供了“眼见为实”的证据，由此，我们才能全面了解DOT1L介导的H3K79me的修饰过程。

 

5. Nature：

组蛋白突变了，组蛋白修饰咋办？

组蛋白修饰在生长发育和疾病中的重要性不言而喻。癌细胞由于基因组不稳定，往往伴随着许多基因突变，近年来的研究发现，除了组蛋白修饰酶的异常表达，癌细胞甚至会突变相关组蛋白的氨基酸，以达到抑制某种组蛋白修饰的效果。比如在78%的胶质瘤（intrinsic pontine gliomas）病人中，存在H3蛋白第27位赖氨酸（K）突变为蛋氨酸（M）的情况，该突变直接造成抑制性组蛋白修饰H3K27me的缺失，促进了癌症的发生发展。由此可见，组蛋白突变，特别是相关修饰位点的氨基酸突变，在癌症中扮演重要角色。然而，目前还没有研究系统的分析癌症中组蛋白的突变情况。在3月20日的Nature中，来自纪念斯隆凯特灵癌症中心的C. David Allis教授发表的这项研究是目前最全面的癌症组蛋白研究^[12]。

研究者分析了TCGA中183类癌症的3074位患者的测序数据，鉴定了组蛋白上4205个错义突变，根据最保守的估计，组蛋白在癌症中存在4%的突变率。这些突变可以发生在组蛋白的“尾巴”和球状体区域，并且部分突变在酵母中也是保守的，能影响核小体的功能，部分突变的氨基酸具有修饰。该研究提示，在研究组蛋白表观遗传变化时，不仅要考虑相关催化酶的变化，还要考虑组蛋白本身的突变，因为组蛋白突变也会造成基因表达的异常，引发癌症（图16）。

图10

文献解读到此，我们可以看出，表观遗传间的crosstalk是该领域的研究重点和热点，同时，新的修饰类型的鉴定也是前言领域。这两项研究的推进，为研究癌症中表达遗传学异常打下了基础。未来我们也期待更多更好的研究，能够将表观遗传学的研究成果真正应用于癌症的临床治疗。

 

参考文献

[1] Rice JC, Allis CD. Histone methylationversus histone acetylation: new insights into epigenetic regulation [J].CurrOpin Cell Biology, 2001, 13(3):263-273

[2] Sharma S, Kelly TK, Jones PA. Epigeneticsin cancer[J].Carcinogenesis, 2010, 31 (1) :27-36

[3] Kouzarides T.Chromatin modifications andtheir function [J].Cell, 2007, 128 (4) :693-705

[4] Darnell, R. B., Ke, S., & Darnell,J. E. (2017). pre-mRNA processing includes N6 methylation of adenosine residuesthat are retained in mRNA exons and the fallacy of" RNA epigenetics".RNA, rna-065219

[5] Huang H, Weng H, Zhou K, et al. Histone H3 trimethylation at lysine 36 guides m6A RNA modification co-transcriptionally. Nature. 2019 Mar;567(7748):414-419. 

[6] Batie M, Frost J, Frost M, et al. Hypoxia induces rapid changes to histone methylation and reprograms chromatin. Science. 2019 Mar 15;363(6432):1222-1226. 

[7] Chakraborty AA, Laukka T, Myllykoski M, et al. Histone demethylase KDM6A directly senses oxygen to control chromatin and cell fate. Science. 2019 Mar 15;363(6432):1217-1222.

[8] Gallipoli P, Huntly BJP. Histone modifiers are oxygen sensors. Science. 2019 Mar 15;363(6432):1148-1149.

[9] Farrelly LA, Thompson RE, Zhao S, et al. Histone serotonylation is a permissive modification that enhances TFIID binding to H3K4me3. Nature. 2019 Mar;567(7749):535-539. 

[10] Worden EJ, Hoffmann NA, Hicks CW, et al. Mechanism of Cross-talk between H2B Ubiquitination and H3 Methylation by Dot1L. Cell. 2019 Mar 7;176(6):1490-1501.e12.

[11] CM McLean, ID Karemaker and F vanLeeuwen, The emerging roles of DOT1L in leukemia and normal development, Leukemia(2014) 28, 2131–2138.

[12] Nacev BA, Feng L, Bagert JD, et al. The expanding landscape of 'oncohistone' mutations in human cancers. Nature. 2019 Mar;567(7749):473-478.