多价H3K9me3/CD互作介导的相变在异染色质形成中的作用探究

Our previous work demonstrated for the first time that multivalent/multivalent interactions between biomolecular molecules can drive “liquid-liquid demixing phase transition” (Nature, 2012). Subsequent studies from various laboratories around the world indicated that phase transition underlied the formation and functions of numerous membraneless organelles in the cell. As such, biomolecular phase transition became a dynamic research field making contributions to answer more challenging questions in biology. Heterochromatin is an integral part of eukaryotic chromatin and plays an essential role in a plethora of biological processes, such as maintaining genome stability and regulating gene expression. However, the mechanism of heterochromatin formation remains elusive. Similarly as the cellular membraneless organelles, heterochromatin is another kind of micron-sized biomolecular condensate. The hallmark histone modifications of heterochromatin are locally enriched and therefore are bona fide multivalent systems. Our preliminary data indicate that “reader” domains of the hallmark histone modifications are either of multiple copies in cis or become multivalent via homo- or hetero-oligomerization. Importantly, protein complexes of multivalent reader domains indeed undergo phase transition when mixed with nucleosome array bearing the corresponding modifications. Hence we hypothesize that “liquid-liquid demixing phase transition” driven by the interaction between multivalent histone modifications and their multivalent reader domains dictates in the formation of heterochromatin. In this proposal, we will mainly use in vitro biochemical reconstitution and live cell imaging techniques to interrogate this hypothesis. The genuine success of this project will provide a novel theoretical framework for chromatin biology and a unique perspective for understanding disease development and potential prevention.

我们的开创性工作在国际上首次报道生物大分子通过多价-多价互作发生“液-液分离相变”（以下简称相变）（Nature，2012）。随后研究表明相变是细胞内无膜细胞器的形成机制和功能基础；相变生物学成为新的生物学研究领域和热点，能够解释诸多重大生物学难题。异染色质在维持基因组的稳定性、调控基因转录等基本生命过程中发挥重要作用，但其形成机制迄今还很不清楚。和许多无膜细胞器类似，异染色质是微米级的生物大分子聚合物，其标志性的组蛋白修饰多聚集在局部，以多价形式存在。我们已有数据表明，识别这些修饰的“阅读器”通过自身重复或同源、异源多聚形成多价，与组蛋白修饰的核小体串互作会发生明显的相变。我们推测修饰的核小体串与多价阅读器互作发生相变，是异染色质形成的重要机制。我们拟通过体外重构及活细胞成像等技术验证该假说，希望本项目的成功实施能够为染色质生物学提供新的理论基础，为理解发育、疾病及其防治提供全新的思路。

异染色质在维持基因组的稳定性、调控基因转录等基本生命过程中发挥重要作用，但其形成机制不甚明了。异染色质区标志性的组蛋白修饰多聚集在局部，为天然多价状态，并且其阅读器也通常为多价状态，与富含组蛋白修饰的核小体串互作会发生相分离。我们推测这种相分离可能是异染色质形成的驱动力。为了验证这一推测，我们对组成型异染色质区域的代表性修饰（多价H3K9me2/3）与其阅读器（多价CD结构域）互作介导的相分离在组成型异染色质形成中的作用进行了研究。研究发现，H3K9me2/3修饰的阅读器HP1蛋白与书写器SUV39H1蛋白均含有CD结构域，它们可与HP1支架蛋白TRIM28在体内形成复合体。TRIM28可通过自身寡聚提高CD结构域的价态，实现CD多价化。该复合体可以跟含有多价H3K9me2/3修饰的核小体串发生相分离，产生相分离液滴。进一步研究发现，相分离的发生依赖于H3K9的甲基化修饰以及多价CD与该多价修饰的互作，且产生的相分离液滴会排斥转录因子TFIIB且对DNase I不敏感，与异染色质的特性相吻合。以上研究验证了我们的推测，揭示了组成型异染色质形成的新机制，完成了项目既定目标。该成果发表于《Molecular Cell》期刊。在此基础上，我们还对DNA修饰与异染色质的关系进行了研究。研究发现，MeCP2（甲基化CpG结合蛋白2）可识别DNA甲基化修饰，二者可通过互作发生相分离，进而压缩染色质片段，介导异染色质区室化。该研究进一步证实了表观遗传修饰介导的相分离与异染色质区室化关系密切，为相关研究提供了新视角。该成果发表于《Cell Research》期刊，为项目计划外成果。此外，我们对高丰度mRNA修饰-m6A修饰与其阅读器的研究发现，这种修饰可通过与其阅读器蛋白YTHDFs互作促进YTHDFs介导的相分离。该成果发表于《Cell Research》期刊，为项目计划外成果。

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