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Mol Cell背靠背丨SUMO化在piRNA介导转座子沉默中的重要功能
2020-01-03
 
撰文 | 小柚
责编 | 兮
 
大部分转录调控通过转录因子识别并结合DNA上特定的motif实现。在许多真核生物中,转录抑制也可以通过小RNA的引导实现。小RNA与Argonaute蛋白形成复合体,通过碱基互补配对的形式结合新生RNA,以识别它们的靶标【1】。基于小RNA的转录调控可以灵活的选择靶标,而无需新的转录因子,因此非常适合基因组监控系统——识别和抑制有害的遗传元件,比如转座子。
 
在后生动物中,小RNA介导的转录抑制通过Piwi蛋白(Argonaute蛋白家族成员)和与之结合的piRNAs(Piwi-interacting RNAs)实现。细胞核中的Piwi蛋白负责转座子的沉默。在目前的模型中,piwi/piRNA复合体通过结合新生RNA识别靶标,并招募组蛋白抑制性修饰H3K9me3甲基化酶(形成异染色质)沉默靶基因。在小鼠中,piwi/piRNA复合体也可招募DNA甲基化抑制转座子活性。今年10月,俞洋/黄旲组合作发现PANDAS复合物通过竞争性结合阻止dNxf1与核孔互作,导致转座子新生RNA在核内滞留的机制。该研究提出了RNA介导异染色质形成的新理论,寄阻断新生RNA出核在调控异染色质形成过程中起核心作用。(详见BioArt报道:专家点评NCB | 俞洋/黄旲组合作深入阐明piRNA调控异染色质形成的分子机制然而,Piwi/piRNA复合物识别并滞留转座子新生RNA的行为,是如何导致该基因座位的H3K9me3形成的,尚不清楚。H3K9me3的形成需要甲基化酶SetDB1,而目前尚未发现建piwi/piRNA复合物和SetDB1物理连接的因子。
 
近日,来自美国加州理工大学的Alexei A. AravinKatalin Fejes Toth教授合作在同期Molecular Cell发表两项研究,以果蝇为模型,他们发现SUMO修饰及SUMO E3连接酶Su(var)2-10通过连接Piwi/piRNA复合物和SetDB1参与转座子抑制的分子机制,同时鉴定了Su(var)2-10独立于Piwi/piRNA复合物调控基因转录的功能。
 
在这项“Su(var)2-10 and the SUMO Pathway Link piRNA Guided Target Recognition to Chromatin Silencing”研究中,研究者主要解析了Su(var)2-10在piRNA介导的染色质沉默中的功能和作用机制。
 
 
Su(var)2-10属于保守的PIAS/Siz蛋白家族成员,该家族在酵母,植物和哺乳动物中均是SUMO修饰的E3连接酶【2】。已有研究发现Su(var)2-10在染色质上富集并可能与H3K9me3阅读蛋白HP1结合【3,4】,但它在染色质沉默中的具体功能和机制尚不清楚。
 
Su(var)2-10在果蝇的卵巢中高表达,为研究它在生殖系统中的功能,研究者首先利用shRNA建立了生殖系统特异性的Su(var)2-10敲低体系。Su(var)2-10敲低的雌性果蝇可以产卵,但却没有后代,说明Su(var)2-10在配子发育中具有重要功能。在Su(var)2-10作用机制研究中,通过蛋白免疫共沉淀(IP)的方法,研究者发现Su(var)2-10与Piwi蛋白结合,并且Piwi引导Su(var)2-10在染色质上的定位。进一步研究发现,Su(var)2-10与H3K9me3甲基化酶SetDB1/Wde结合,并可以催化SetDB1/Wde的SUMO化。SUMO修饰不影响SetDB1/Wde的酶活性,但可以提供一个平台招募SetDB1/Wde以诱导H3K9me3和转录抑制。
 
 
总的来说,该研究回答了piRNA介导的转座子沉默领域中长期存在的问题:Piwi/piRNA复合物识别转座子新生RNA后是如何招募H3K9me3甲基化酶进而实现转座子抑制的。该研究发现SUMO E3连接酶Su(var)2-10可结合Piwi/piRNA复合物并通过SUMO修饰招募H3K9me3甲基化酶SetDB1/Wde对转座子进行抑制的机制,对深入了解RNA介导的表观遗传调控具有重要意义。
 
有趣的是,Piwi和piRNA主要存在于生殖细胞,是生殖所必需的,但对体细胞发育不是必需的,而Su(var)2-10的表达则是泛在的,并且其无义突变致死,这提示Su(var)2-10具有不依赖于piRNA的靶标和重要功能。
 
鉴于此,Alexei A. Aravin和Katalin Fejes Toth教授进一步研究了Su(var)2-10在生殖细胞和体细胞中的功能,也就是另一篇Molecular Cell:“The SUMO Ligase Su(var)2-10 Controls Hetero- and Euchromatic Gene Expression via Establishing H3K9 Trimethylation and Negative Feedback Regulation”,该研究发现Su(var)2-10介导的H3K9me3在调控常染色质和异染色质基因表达中的功能,及其维持染色质稳态的负反馈调节通路。
 
 
利用上文所建立的Su(var)2-10敲低体系,研究者得到3个有趣且重要的发现。
 
1.H3K9me3是异染色的标志性组蛋白修饰,它可以促进染色质的凝集,抑制基因的转录。异染色质通常被认为是不转录的。一个矛盾的现象是仍有少数基因位于异染色质区域内,却可以正常的转录。同一种组蛋白修饰是如何同时实现对常染色质中的基因进行抑制,而促进异染色质中基因的表达的呢?研究者发现异染色质中H3K9me3主要位于基因体区(gene body),而不存在于启动子区。并且这些启动子区带有激活型组蛋白修饰H3K4me3,也能被RNA聚合酶II结合,这提示gene body区的H3K9me3似乎是和转录兼容的。重要的是,Su(var)2-10能够抑制转座子插入造成的隐性启动子(cryptic promoter),使异染色质中的基因得到正确的表达。
 
2.普遍认为转座子通过插入蛋白编码基因的编码区或功能DNA元件(如增强子,启动子等)抑制基因的表达,该研究发现当转座子插入常染色质蛋白编码基因附近时,Su(var)2-10会介导大范围的H3K9me3,导致转座子邻近基因的沉默。该发现为转座子调控基因表达提供了新的作用方式。
 
3. Su(var)2-10的靶基因包括形成异染色质相关的蛋白,这可能是一种负反馈调节通路,限制异染色质的形成,维持染色质的稳态。
 
 
总的来说,该研究发现在Piwi/piRNA不存在时,Su(var)2-10依然可以结合H3K9me3甲基化酶SetDB1/Wde,调控异染色质和常染色质基因的表达。但对于Su(var)2-10是如何选择靶基因的,是直接结合DNA还是辅助其他转录因子的功能,尚不清楚。
 
这两项研究以果蝇为模型,揭示了一套保守的由SUMO化和SUMO E3连接酶Su(var)2-10介导的基因调控机制,对理解小RNA介导的转座子沉默,以及异染色形成和染色质稳态均有重要意义。
 
 
 
 
原文链接:
https://doi.org/10.1016/j.molcel.2019.11.012
https://doi.org/10.1016/j.molcel.2019.09.033
 
   制版人:Blingbling

 

参考文献

 
 
1. Holoch, D., and Moazed, D. (2015). RNA-mediated epigenetic regulation of gene expression. Nat. Rev. Genet. 16, 71–84.
2. Betz, A., Lampen, N., Martinek, S., Young, M.W., and Darnell, J.E., Jr. (2001). A Drosophila PIAS homologue negatively regulates stat92E. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 98, 9563–9568
3. Hari, K.L., Cook, K.R., and Karpen, G.H. (2001). The Drosophila Su(var)2-10 locus regulates chromosome structure and function and encodes a member of the PIAS protein family. Genes Dev. 15, 1334–1348.
4. Stampfel, G., Kazmar, T., Frank, O., Wienerroither, S., Reiter, F., and Stark, A.(2015). Transcriptional regulators form diverse groups with context-dependentregulatory functions. Nature 528, 147–151.

 
 
 
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