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來源：生物谷
9月4日晚，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合成生物學(xué)研究所甘海云課題組在Nature Genetics發(fā)表了題為“親代組蛋白的對(duì)稱遺傳保護(hù)小鼠胚胎干細(xì)胞分化中的命運(yùn)”(Symmetric inheritance of parental histones contributes to safeguarding the fate of mouse embryonic stem cells during differentiation)的文章，該研究發(fā)現(xiàn)親代組蛋白對(duì)稱分配和遺傳保證了小鼠胚胎干細(xì)胞的分化和早期小鼠胚胎發(fā)育。
在多細(xì)胞生物的發(fā)育過程中，基因組通過DNA的半保留復(fù)制方式保證了遺傳信息被精確地傳遞到子細(xì)胞中。表觀遺傳則是在基因組信息不變的情況下基因表達(dá)的狀態(tài)發(fā)生了可遺傳的變化。表觀遺傳信息決定了不同細(xì)胞的命運(yùn)，是建立和維持細(xì)胞類型特異性的基礎(chǔ)。對(duì)于真核細(xì)胞，基因組復(fù)制與表觀信息的傳遞緊密相連。
在DNA復(fù)制過程中，復(fù)制叉前的核小體需要解組裝以保證復(fù)制體順利前行。復(fù)制叉后兩條新合成子鏈DNA則需要招募新合成組蛋白，并從母鏈循環(huán)回收親代組蛋白用以重新組裝核小體。親代組蛋白循環(huán)和新組蛋白補(bǔ)充的過程被稱為DNA復(fù)制偶聯(lián)的核小體組裝。
近年來，甘海云研究員與合作者通過開發(fā)eSPAN (enrichment and sequencing of protein-associated nascent DNA）技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了DNA復(fù)制過程中傳遞親代組蛋白的分子伴侶，揭示了親代組蛋白遺傳的分子機(jī)制。Mcm2（Mcm2-7解旋酶的一個(gè)亞基）通過與Ctf4和Pola1的相互作用將親代組蛋白傳遞到復(fù)制DNA的滯后鏈（1）。而Pole3和Pole4（前導(dǎo)鏈DNA聚合酶的兩個(gè)亞基）則通過相互作用促進(jìn)親代組蛋白傳遞到前導(dǎo)鏈（2）。在DNA復(fù)制過程中Mcm2-Ctf4-Pola1和Pole3/Pole4保證了親代組蛋白及其翻譯后修飾在姐妹染色單體上的對(duì)稱分配（圖1）。然而，DNA復(fù)制中親代組蛋白如何調(diào)控表觀信息傳遞及其生物學(xué)意義尚不清楚。
DNA復(fù)制耦聯(lián)的親代組蛋白表觀信息傳遞
甘海云研究員課題組在前期發(fā)現(xiàn)MCM2功能的基礎(chǔ)上，通過點(diǎn)突變（Mcm2-2A：Y81A/Y90A）獲得缺失MCM2組蛋白結(jié)合功能的小鼠胚胎干細(xì)胞。研究發(fā)現(xiàn)，舊組蛋白（如H3K27me3）分配失衡，組蛋白修飾在全基因組范圍的分布出現(xiàn)異常（如H3K27me3， H3K9me3和H3K4me3）（圖2），胚胎干細(xì)胞向神經(jīng)細(xì)胞分化潛能降低。進(jìn)一步通過構(gòu)建Mcm2-2A小鼠發(fā)現(xiàn)，純合子小鼠早期胚胎發(fā)育缺陷，胚胎致死。親代組蛋白對(duì)稱分配和遺傳對(duì)胚胎干細(xì)胞分化和早期小鼠胚胎發(fā)育具有保護(hù)作用。
MCM2-2A突變改變胚胎干細(xì)胞H3K27me3組蛋白修飾景觀
親代組蛋白攜帶的修飾蘊(yùn)含了大量的表觀遺傳信息（比如與細(xì)胞分化和個(gè)體發(fā)育密切相關(guān)的H3K27me3， H3K9me3和H3K4me3）。DNA復(fù)制偶聯(lián)的核小體組裝過程中，新生成的染色質(zhì)包含大約等量的親代組蛋白和新組蛋白，子細(xì)胞中被稀釋了一半的組蛋白修飾通過重建恢復(fù)到原有水平，比如H3K27me3通過“讀-寫”機(jī)制實(shí)現(xiàn)重建。不同組蛋白修飾重建的速度不同，H3K4me3可實(shí)現(xiàn)快速重建，而H3K27me3和H3K9me3重建較慢，在一個(gè)細(xì)胞周期內(nèi)無法完全恢復(fù)。在DNA復(fù)制過程中，親代組蛋白分配失衡可能會(huì)導(dǎo)致不同子細(xì)胞中遺傳了不同的組蛋白修飾分布景觀，及其可能導(dǎo)致的轉(zhuǎn)錄水平改變。通過單細(xì)胞H3K27me3 CUT&Tag，單細(xì)胞RNA-seq和LARRY-Barcode譜系追蹤技術(shù)發(fā)現(xiàn)，在向神經(jīng)細(xì)胞分化的體系中Mcm2-2A胚胎干細(xì)胞具有向三胚層均分化的趨勢(shì)。分析發(fā)現(xiàn)，H3K27me3分布的異質(zhì)性增加，轉(zhuǎn)錄組異質(zhì)性也增加（圖3），與發(fā)育相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平與該基因位點(diǎn)的H3K27me3反向相關(guān)。親代組蛋白分配失衡提高了子細(xì)胞群體的基因表達(dá)和表觀狀態(tài)異質(zhì)性，影響了子細(xì)胞的命運(yùn)決定。
Mcm2-2A突變提高細(xì)胞群體中H3K27me3組蛋白修飾景觀的異質(zhì)性
在小鼠胚胎干細(xì)胞bivalent基因的啟動(dòng)子位點(diǎn)，組蛋白變體H3.3參與建立正確的H3K27me3分布模式。通過eSPAN發(fā)現(xiàn)在Mcm2-2A胚胎干細(xì)胞中H3.3表現(xiàn)出滯后鏈偏好。同時(shí)，H3K27me3分布的變化隨著H3.3的改變而改變。親代組蛋白分配失衡，不僅改變了緩慢重建組蛋白修飾的分布，也改變了組蛋白變體的定位，進(jìn)而在全基因組范圍影響組蛋白及其修飾的景觀，從而改變了細(xì)胞的命運(yùn)。
該研究結(jié)果揭示親代組蛋白遺傳保證了組蛋白修飾景觀的遺傳，有助于胚胎干細(xì)胞分化和小鼠早期胚胎發(fā)育。該發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解表觀遺傳信息在細(xì)胞分裂過程中在子代細(xì)胞中的分配和繼承性具有重要科學(xué)意義和潛在貢獻(xiàn)。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41588-023-01477-w