表觀對基因表達的調控過去主要聚焦在對當前狀態的調控，近期我們的幾個工作則觸及了對未來狀態的調控。我們之前發表的信號誘導的增強子DNA去甲基化使基因可以對信號產生記憶，在再次遇見同一信號時產生更強更快更靈敏的轉錄激活。本工作則發現在胚胎干細胞中敲除BEND3導致其高度富集的靶基因上出現H3K27三甲基化的下調。這并不影響這些基因在當前狀態的表達，因為相應的信號和轉錄因子還沒有到來。有趣的是這些基因一旦響應信號進入分化就會被過早激活，導致分化和發育的失敗。所以BEND3和H3K27三甲基化確保了這些基因在將來慢慢地被激活。這和以往研究較多的Priming（蓄勢待發）現象正好相反，我們給它取了個名字叫做Reining（戒急緩發）。- 朱冰老師

點評 | 吳旭東（天津醫科大學）

責編 | 酶美
來源 | Bioart

CpG島是脊椎動物基因組上的重要調控序列，常出現在活躍的管家基因（housekeeping genes）以及發育相關的二價基因（bivalent genes，同時存在激活性的H3K4me3和抑制性的H3K27me3組蛋白標記）的啟動子區域。2021年，瑞士弗里德里希·米歇爾生物醫學研究所Dirk Schübeler課題組發現，序列特異性轉錄因子 BANP能夠結合并激活一部分含有CpG島啟動子的必需基因的表達【1】。而同樣含有CpG島啟動子的二價基因，是否也會受到序列特異性結合蛋白的調控并不清楚。

2022年2月10日，中國科學院生物物理研究所朱冰課題組和許瑞明課題組合作，在Science雜志在線發表題為Highly enriched BEND3 prevents the premature activation of bivalent genes during differentiation的研究論文，報道了CpG島結合蛋白BEND3在特定的二價基因上高度富集并防止這些基因在分化過程中過早激活。

在該研究中，研究人員發現BEND3能夠特異性結合在含有CpG島的活躍基因和二價基因的啟動子區域（圖1A），并解析了最關鍵的第四個BEN結構域結合DNA基序的共結晶結構（圖1B），為BEND3序列特異性和DNA甲基化敏感結合特性提供了結構依據。

圖1 ?BEND3富集在含有CpG島的活躍基因和二價基因的啟動子區域。

研究人員發現BEND3敲除的小鼠胚胎會在原腸胚形成階段死亡。通過體內畸胎瘤形成實驗和體外分化實驗，研究人員發現 BEND3敲除的小鼠胚胎干細胞喪失了分化的能力。為了找到發育和分化缺陷的分子機制，研究人員利用體外類胚體分化（EB分化）實驗，結合RNA-seq 技術，發現數百個被BEND3高度占據的二價基因在分化早期被異常激活。結合各種表觀組學分析，研究人員發現Bend3敲除會導致一部分富含BEND3的二價基因啟動子上SUZ12（PRC2復合物的核心成分）和H3K27me3水平的下降。這些下降雖然不會立刻導致基因轉錄的改變，但會造成這些失去了PRC2和H3K27me3保護的二價基因在分化過程中在不恰當的時間被錯誤地提前激活，最終導致發育和分化的失敗。

在胚胎干細胞中，二價啟動子（bivalent promoter），即同時存在激活性的H3K4me3和抑制性的H3K27me3組蛋白標記，通常被認為將發育相關基因維持在Priming?（蓄勢待發）的狀態，以備在分化時快速激活。然而在小鼠胚胎干細胞中敲除MLL2能夠特異性去除二價基因上的H3K4me3修飾，卻不影響這些基因的激活動力學過程【2】。本研究則提出二價啟動子上了H3K27me3修飾的重要性，H3K27me3在分化前期可以起到“手剎”的作用，使二價基因處于reining （戒急緩發）的狀態，防止它們過早激活，從而保障發育過程中基因的時空特異性地表達。

朱冰研究員與許瑞明研究員為本文的通訊作者，朱冰課題組張晶博士，張彥博士，許瑞明課題組游慶龍博士為本文的共同第一作者。

專家點評

吳旭東（天津醫科大學）

高等脊椎動物基因組一個特征是含有CG高度富集的序列，這樣的區域被稱之為CpG島，往往處于非甲基化狀態，與多數基因的啟動子重合。考慮到CpG島長度、CG豐度、序列特異性、GC偏移、甚至局部轉錄狀態等復雜性，CpG島結合蛋白的多樣性對實現時空特異或者精細的轉錄調控至關重要，因此鑒定CpG島結合蛋白和研究相應調控機制是表觀遺傳學研究的一個熱門方向。

目前發現的CpG島結合蛋白主要有三大類：1）含有CXXC結構域的蛋白如CFP1, KDM2A/B, TET1等，2）含有非典型WH(翼狀螺旋結構)的蛋白如Polycomb like(PCL)家族蛋白和SAMD1等，3）某些特殊轉錄因子如BANP。

中科院生物物理所朱冰教授團隊在前期hmC（羥甲基化胞嘧啶）結合蛋白鑒定時意外發現一個功能不詳的蛋白BEND3傾向于結合非甲基化胞嘧啶（Xiong, Mol Cell 2016）。在此基礎上，他們展開了后續研究。在這篇文章中，他們進一步揭示了BEND3在體內結合CpG島的染色質特征，明確了其結合基序，并揭示了BEND3一個特殊的BEN結構域（BEN4）結合DNA的結構學基礎。盡管和BANP的結合基序很相似，但是BEND3不像BANP局限于轉錄激活基因的CpG島，它也分布于Polycomb家族蛋白富集的轉錄沉默基因的CpG島（表現為bivalent狀態）。功能方面，純合的BEND3基因敲除小鼠胚胎在著床后很快死亡（E3.5-E6.5），其機制主要是BEND3缺失不利于PRC2的結合和活性，導致部分bivalent基因在沒有足夠分化發育信號的情況下過早發生轉錄激活，并且BEND3結合基序越多、結合水平越高的bivalent基因的表達上調越顯著，從而影響了正常的分化發育進程。基于BEND3基因敲除導致的表型比PRC1或PRC2核心基因敲除的小鼠表型更為嚴重，BEND3可能同時影響了這兩類復合體。另外值得一提的是，BEND3缺失的胚胎干細胞中其靶基因表達沒有顯著上調、染色質開放性不變的情況下，PRC2的結合仍然顯著受到影響，所以BEND3對PRC2的調控作用應該是非轉錄依賴性的，具體機制尚不清楚。

總之，本研究為CpG島的轉錄調控增添了新的元素，闡明了BEND3這一序列特異性蛋白廣泛結合而又精準調控的作用和機制，當然，對CpG島其它染色質特征的影響和深層次的生物學意義還有待進一步揭示。這項創新性的研究也為其它DNA序列所指導的表觀遺傳調控研究起到了很好的范式作用。

原文鏈接：

http://doi.org/10.1126/science.abm0730

制版人：十一

參考文獻

1. R. S. Grand?et al., BANP opens chromatin and activates CpG-island-regulated genes.?Nature?596, 133-137 (2021).

2. D. Hu?et al., The Mll2 branch of the COMPASS family regulates bivalent promoters in mouse embryonic stem cells.?Nat Struct Mol Biol?20, 1093-1097 (2013).

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的专家点评Science | 朱冰/许瑞明合作团队报道CpG岛结合蛋白BEND3作用机制的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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