Nature专家点评丨路超团队等揭示H3K36甲基化修饰与DNA甲基化修饰之间调控的内在机理
责编 | 迦溆
DNA 甲基化是基因调控，器官发育和人类疾病紧密相关的一个重要染色质修饰。人类基因组中～80% 的 CpG 存在着甲基化，这些甲基化是如何准确的建立，维持和调控的仍然是领域内的热点之一。在常染色质 (euchromatin) 中，组蛋白的修饰被证明在招募 DNA 甲基化转移酶 (DNA methltransferase, DNMT) 中起到关键的作用。例如，启动子中的 H3K4me3 会排斥起始性DNA 甲基化转移酶 DNMT3A 和 DNMT3B【1】。另外，基因外显子的 H3K36me3 在招募 DNMT3B 中起到积极作用【2,3】。关于内显子和基因间区段 (intergenic region) 的 DNA 甲基化调控机理则尚不清楚。
DNMT3A 在人类中存在生殖系突变，造成 Tatton-Brown Rahman Syndrome (TBRS) ，TBRS 的主要症状是身高过度增长和智能障碍【4】。有意思的是，这些症状和 Sotos syndrome 有很大的相似度。Sotos syndrome （即小儿巨脑畸形综合征） 是由 NSD1 的生殖系突变造成。NSD1 是一个负责 H3K36 二甲基化（H3K36me2 ）的组蛋白甲基转移酶。这些遗传学上的发现表明 NSD1 和 DNMT3A 可能会有机理上的关联。
2019年9月5日，哥伦比亚大学路超研究组、洛克菲勒大学David Allis研究组、麦吉尔大学（McGill University）Jacek Majewski研究组以及清华大学李海涛研究组合作，在Nature杂志上发表了题为The histone mark H3K36me2 recruits DNMT3A andshapes the intergenic DNA methylation landscape的论文，通过 ChIP-seq 和全基因组重亚硫酸盐测序（Whole Genome Bisulfite Sequencing ，WGBS) 额方法首次发现组蛋白修饰H3K36me2、DNA 甲基化和 DNMT3A 招募在基因组上存在正相关。该工作拓展了H3K36甲基化修饰和DNA甲基化修饰间的精确调控机制，对理解相关人类遗传疾病的发生具有重要的生物学意义。
与之前报道【2,3】 的 H3K36me3 和 DNMT3B 不同，H3K36me2 和 DNMT3A 主要存在于活跃表达基因的基因间区段（intergenic DNA）。在小鼠胚胎干细胞中敲除H3K36me2甲基转移酶 Nsd1 能在降低 H3K36me2 的同时降低基因间区段的 DNMT3A 定位和 DNA 甲基化。需要注意的是，敲除Nsd1 并不影响 H3K36me3 以及 DNMT3B 在 gene body 上的定位，表明这两个通路是以独立且互补的方式来建立常染色质中的 DNA 甲基化格局。
从机制上讲，之前的研究表明 DNMT3A/B 的 PWWP domain 能够与 H3K36 甲基化相结合【5】。而最新的这项研究进一步发现 DNMT3A 对于 H3K36me2 的亲和力比H3K36me3 更高。加上 H3K36me2 是一个比 H3K36me3 更丰富的修饰，这使得 H3K36me2 在和H3K36me3 的竞争中成为招募 DNMT3A 更重要的因素。最后，研究人员分析了 TBRS 和 Sotos syndrome病人的 DNA 甲基化组数据，发现这两种病人中的甲基化变化相似并且都表现为基因间区段 DNA甲基化降低。NSD1 在人类头颈癌中存在大量突变【6】，同样的 NSD1 突变的头颈癌细胞和病人样本有明显的基因间区段 DNA 甲基化降低。
综合上述发现，研究认为 NSD1-DNMT3A 可能是基因间区段 DNA 甲基化的一个重要通路。并且，基因间区段DNA 甲基化变化可能是造成人类儿童过度增长疾病和头颈癌的一个分子机制。同时，还有一些重要的问题需要更多工作来解决：DNMT3A 和 DNMT3B 的 PWWP domain 是怎么识别 H3K36me2 和H3K36me3 这两个高度相似的修饰的？H3K36me2 对于 DNA 维持甲基酶 DNMT1 是否有影响？在基因间区段，那些调控元件（增强子，绝缘子，重复序列）的活性受到 NSD1-DNMT3A 的调控？这些问题的答案可以让我们对非编码基因组的表观遗传调控有更深的理解。
朱冰（中科院生物物理研究所研究员）
DNA甲基化、组蛋白修饰等各种染色质修饰间的相互调控作用是表观遗传学领域中的一个长期研究对象，目前也已经有了大量的相关发现。例如DNA甲基化能招募组蛋白去乙酰化酶；Polycomb修饰（H3K27三甲基化，H2A单泛素化）与DNA甲基化、H3K36甲基化互斥；DNA甲基化与H3K9甲基化协同存在；组蛋白H3K4三甲基化拮抗DNA甲基化等等。本研究则细致分析了组蛋白H3K36二、三甲基化对DNA甲基化酶DNMT3A的差异性调控作用。在此研究之前，已经知道组蛋白H3K36甲基化修饰可以招募DNMT3A和DNMT3B，促进DNA甲基化在特定区域的发生。H3K36二、三甲基化在基因组上的分布不同，H3K36三甲基化主要存在于活跃转录的基因上，而H3K36二甲基化大量存在于基因间区，其主要修饰酶NSD1的表达不足会导致Sotos综合征，NSD1突变也在肿瘤中频发。然而，H3K36二、三甲基化是否对DNA甲基化酶有差异性调控尚不明晰。本研究揭示DNMT3A优先选择H3K36二甲基化区域，促进基因间区的DNA甲基化，并且Sotos综合征病人的血样和NSD1突变肿瘤中都出现了基因间区DNA甲基化的选择性丢失。这一工作对H3K36甲基化修饰和DNA甲基化修饰间的调控作用做出了新的拓展，并且这一机制在疾病发生过程中有着潜在的生物学意义。
参考文献
1. Ooi, S. K. T. et al. DNMT3L connects unmethylated lysine 4 of histone H3 to de novo methylation of DNA. Nature 448, 714–717 (2007).
2. Baubec, T. et al. Genomic profiling of DNA methyltransferases reveals a role for DNMT3B in genic methylation. Nature 520, 243–247 (2015).
3. Morselli, M. et al. In vivo targeting of de novo DNA methylation by histone modifications in yeast and mouse. eLife 4, (2015).
4. Tatton-Brown, K. et al. Mutations in Epigenetic Regulation Genes Are a Major Cause of Overgrowth with Intellectual Disability. The American Journal of Human Genetics 100, 725–736 (2017)
5. Dhayalan, A. et al. The Dnmt3a PWWP Domain Reads Histone 3 Lysine 36 Trimethylation and Guides DNA Methylation. J. Biol. Chem. 285, 26114–26120 (2010).
6. Papillon-Cavanagh, S. et al. Impaired H3K36 methylation defines a subset of head and neck squamous cell carcinomas. Nat. Genet. 49, 180–185 (2017)