Science | MeCP2蛋白解读新的秘密——为解析Rett综合症下游机制研究提供新线索

撰文丨酶美

Rett综合症是一种严重的影响神经系统的遗传疾病，主要由甲基化CG结合蛋白2- MeCP2（methyl-CpG-binding protein 2）基因失活突变造成【1】。虽然围绕MeCP2有很多研究，但MeCP2调节基因表达的具体分子机制，Rett综合症的致病机制尚不清楚【2】。原因之一就是MeCP2识别结合多个序列，不同的甲基化，由此对表观遗传水平的调控可产生不同甚至迥异的效果。

MeCP2因其识别结合甲基化CG序列而得名【3】。结合甲基化CG后，MeCP2介导基因的转录抑制。进一步的深入研究则扩大了MeCP2的识别序列范围，MeCP2可识别甲基化、羟甲基CA（mCA、hmCA）和羟甲基胞嘧啶（hmC）、羟甲基hmCH等序列。mCA和mCG均是转录抑制的DNA修饰，而hmC则和转录激活相联系。多种结合DNA序列使MeCP2对染色质组织结构改变和转录调控产生了多变的效果。MeCP2蛋白又在细胞特别是神经细胞中高量表达，因而Rett综合症中受影响的下游基因广泛，致病机制的分析解析特别困难。

6月25日，来自法国的Ali Hamiche，Bruno P. Klaholz, Stefan Dimitrov团队在Science发表了他们的研究成果，题为：MeCP2 is a microsatellite binding protein that protects CA repeats from nucleosome invasion 。这项研究鉴定了MeCP2结合羟甲基化CA微卫星序列（hmCA），对核内不同区域的染色质空间三维结构产生了不同影响。为解析Rett综合症下游机制研究提供了新的线索。

研究团队期望找到识别结合CA微卫星序列的核内调控蛋白，意外地发现了MeCP2是识别蛋白之一。随后，团队利用ChIP实验分析MEF细胞MeCP2的结合位点，在找到的4113位点中，CA序列占到了其中的三分之二，大部分结合的CA序列是羟甲基化修饰。而MeCP2敲除的MEF细胞中，CA羟甲基化修饰分布没有变化，说明MeCP2只是识别结合修饰的CA序列，不干扰其修饰。

MeCP2结合羟甲基化CA重复序列

CA重复序列是一种在基因组中广泛分布的微卫星序列，CA序列修饰对表观遗传的调控功能未知。团队比较分析了野生型和MeCP2敲除的MEF细胞中基因表达变化。在上调或下调的基因中CA序列均出现聚集。进一步分析老鼠大脑和体外培养神经细胞系中，也发现MeCP2出现CA序列特异富集分布。这些CA微卫星序列与DNA其它位置的CA序列相比存在修饰的比例更高。

MeCP2结合羟甲基化CA重复序列调控了相关基因的表达水平，研究团队因此检查了MeCP2-CA重复序列对染色质三维组织结构和核小体分布的影响。在野生型细胞中，他们发现微卫星序列上是没有核小体的。而在MeCP2敲除的细胞中，CA微卫星序列上则出现了核小体累积，其他微卫星序列不受MeCP2缺失的影响。同时，核纤层区域（LAD）染色质上CA序列附近的核小体分布密度进一步增加；而非核纤层区域的核小体密度降低。最后，研究团队解析了MeCP2和hmCA DNA的晶体结构。R133C是Rett综合症相关突变，结构分析显示，Arg¹³³则是识别结合hmCA的关键氨基酸。

总结来说，联合研究团队通过结构分析，生化实验和原位染色体分析等手段鉴定了MeCP2特异识别结合羟甲基化CA（hmCA）重复序列。在Rett综合症中，MeCP2功能失活通过CA序列引起了核内不同区域染色质空间结构和核小体分布的变化，进而影响广泛的下游基因表达改变。这项研究为MeCP2功能解析和Rett综合症致病机制研究打开了新的大门。为此，同期Science杂志还发表了Huda Zoghbi的专门评述（首个鉴定MeCP2为Rett综合症致病基因【1】）: Repeat after Me(CP2)! MeCP2蛋白和CA微卫星序列还有许多未解之谜，Rett综合症的关键下游改变基因尚未可知；MeCP2和hmCA的结合对染色质结构和核小体分布的调节及下游基因的表达变化影响需要进一步深入探索。

原文链接：

https://doi.org/10.1126/science.abd5581

制版人：十一

参考文献

1. Amir RE Van den Veyver IB Wan M Tran CQ Francke U Zoghbi HY，Rett syndrome is caused by mutations in X-linked MECP2, encoding methyl-CpG-binding protein 2. Nat Genet. 1999; 23: 185-188

2. Sandweiss, AJ; Brandt, Vicky L; Zoghbi, HY. Advances in understanding of Rett syndrome and MECP2 duplication syndrome: prospects for future therapies. The Lancet Neurology, 2020；19:689–698.

3. Lewis JD Meehan RR Henzel WJ et al. Purification, sequence, and cellular localization of a novel chromosomal protein that binds to methylated DNA. Cell. 1992; 69: 905-914

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