原创： ppxu Epigenetics表观遗传学

表观遗传性状是指不依赖于 DNA 序列变化的染色质改变引起的稳定可遗传的性状 [1]。这个定义中包含了两个基本的条件：a) 染色质归根结底还是发生变化了，但并不是 DNA 序列的改变；b)这种染色质的改变可以引起性状的改变，而且最重要的是，这种改变的性状可以稳定遗传。改变了的性状（或理解为“获得性性状”）的稳定遗传依赖于基因表达调控机器的遗传。在细胞复制后，不仅仅实现了遗传物质复制，而且决定遗传物质在何时何地表达的机器也需要传递下去。

图 1. 表观遗传的几个层面

（图片来自：https://www.whatisepigenetics.com/fundamentals/）

不依赖于 DNA 序列变化的基因表达调控方式很多，包括 DNA 甲基化、组蛋白修饰和非编码 RNA 调控等。这些方式哪些可以稳定遗传？遗传其实体现在两个层面，首先是细胞层面，比如真核生物体细胞在有丝分裂之后，这些表观遗传 marker 或者染色质状态是否可以传递下去；另一层体现在个体层面，即获得性性状是否可以在代际间传递。通常第一个层面的相对容易证明，而第二个层面的探索受到诸多外界因素的干扰，严格地证实相对较难。

图 2. 种类繁多的组蛋白修饰

（https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Histone_modifications.png）

从 2000 年C. David Allis 提出“组蛋白密码（histone code）[2]”开始，组蛋白修饰调控基因表达的证据加速涌现；2004 年，哈佛大学施扬教授课题组发现了第一个组蛋白去甲基化酶 LSD1[3]，组蛋白修饰的可逆性得到进一步揭示，同时极大地加深了人们对组蛋白修饰功能的理解。时至今日，组蛋白修饰已经被公认为是表观遗传的核心组成之一。但仔细考究一番，组蛋白修饰真的满足“表观遗传”的定义吗？组蛋白修饰对基因表达的调控证据堆积成山，但组蛋白修饰真的可以遗传吗？或者种类繁多的组蛋白修饰，究竟有哪些才具有“可遗传”的属性呢？

图 3. 7 月 6 日 Danny Reinberg 在Science上发表的观点文章

2018 年 7 月 6 日，表观遗传领域的开拓者之一Danny Reinberg在Science 发表了观点（Perspectives）文章[4]，就“哪些组蛋白修饰可以遗传及其机制”进行了探讨。以下对该文的核心观点进行了梳理。

染色质的两种状态

未修饰的组蛋白带正电，而 DNA 带负电，两者通过静电作用结合在一起形成核小体；组蛋白与邻近的核小体之间也具有静电作用，因此在默认情况下，染色质应该是致密压缩的（异染色质，heterochromatin），基因整体上处于抑制状态。而无论是DNA 的复制、转录还是修复，都需要染色质处于开放状态（常染色质，euchromatin），那么问题来了，染色质是怎么打开的呢？

图 4. H4K16ac 介导的异染色质到常染色质的转变

有研究报道，在酵母和人类中保守的组蛋白修饰 H4K16ac 可以帮助建立常染色质；随后，各种组蛋白修饰（或修饰的组合）主要负责进一步促进转录。注意这里的前后顺序，好似“星星之火可以燎原”，最开始的“一点星火”应该是 H4K16ac，而能点燃这“一点星火”的则是“initiator”。

这种转录状态的维持需要转录激活因子（也即启动因子 initiators，它们可以结合到 DNA 中的调控序列，比如启动子区域）的持续出现，而这些 initiator 可以招募共激活因子（co-activator），包括组蛋白乙酰基转移酶，以进一步乙酰化启动子区域附近的组蛋白。此外，RNA 聚合酶Ⅱ的 C-端结构域的多个位点的磷酸化，包括 Ser5-P 和 Ser2-P，可以招募特定的甲基转移酶，进而独立地甲基化 H3K4 和 H3K36，以进一步促进转录。

抑制性组蛋白修饰可遗传，而不是促进性修饰

开放的染色质状态（转录机器可以进入）本身并不是可遗传的，因此不能划归到表观遗传。在每一轮 DNA 复制或者有丝分裂结束后，H4K16ac 负责重建开放的染色质状态，而且基因的表达还需要一个启动因子（initiator）。先打开染色质，随后触发转录，H4K16ac 和 initiator 分工明确。这种工作模式提示，有助于打开染色质的H4K16ac 可能在细胞复制过程中遗传下去，但是目前还没有确凿的证据。

图 5. H4K16ac 负责建立常染色质[5]

延伸思考：为什么是 H4K16ac？在这种情况下，H4K16ac 是通过改变电荷而让染色质变得开放么？但是为什么偏偏是 H4K16 的乙酰化？这些 initiator 是 H4K16ac 的 reader 么，可以是 H4K16ac 的 reader 么？H4K16ac 最开始是怎么添加上去的？

相反，一些可以有助于抑制性的致密压缩的染色质形成的组蛋白修饰却具有表观遗传的特性，也即可以遗传下去。致密压缩的染色质区域有助于特定组蛋白修饰的沉积，而这些特定的组蛋白修饰可以进一步为染色质压缩提供平台。

总的来说，一旦启动因子撤离以后，染色质通过某种机制回到致密压缩状态，这种压缩状态的染色质，必须包含可以传递这种抑制性的染色质状态到子细胞的信息，这种精准的遗传可以维持细胞谱系中基因表达的完整性。

抑制性染色质结构域的遗传

在酿酒酵母中的研究发现，NAD（烟酰胺腺嘌呤二核苷酸）依赖的组蛋白去乙酰化酶 Sir2 所介导的 H4K16ac 的局部去乙酰化，对于建立致密的（也即抑制性的）染色质结构域是必须的。在酵母特定的染色质区域，比如交配型基因座（mating-type loci）、核糖核蛋白 DNA 重复序列以及端粒中，这种致密的染色质结构域可以在数代间维持。因此，即便染色质当前处于开放状态，一旦要传递给子细胞时，也需先回到致密的状态，随后将这种致密的染色质结构域传递给子细胞。

在机制方面，这些位点的 H4K16ac 去乙酰化依赖于Sir 复合物（Sir2-Sir3-Sir4）。比如，在交配型基因座中，Sir 复合物通过与Sir1 的适配子（adaptor）和启动因子Orc2（the origin recognition complex，起始识别复合物）的直接相互作用而被招募。 Sir2 对 H4K16ac去乙酰化，随后与 Sir3 结合。Sir3 与 Sir2、Sir4 的相互作用传播了这种去乙酰化状态。更重要的是，去乙酰化状态的维持不再需要 Sir1-Orc 启动因子。相反，在细胞周期中组蛋白去乙酰化酶 Sir2 维持抑制性的染色质结构域，但并不清楚这种机制也适用于高等真核生物。

图 6. PRC2 和 SUV39H1 介导的可遗传的异染色质状态

在高等真核生物中的研究显示，唯一可以遗传的染色质结构域包含与抑制性染色质相关的H3K9me3 和 H3K27me3。这些组蛋白修饰为其他压缩染色质的因子提供结合位点，在特定的染色质位点，由核心调控因子（master regulators）驱动，形成大的组成型异染色质（constitutive heterochromatin，含有 H3K9me3）或者兼性异染色质（facultative heterochromatin，含有 H3K27me3）的染色质结构域。尽管这些研究还在进行之中，但是在 DNA 复制过程中，组蛋白修饰倾向于分离到合适的子染色质结构域，因此包含亲源组蛋白修饰的核小体与新合成的没有修饰的组蛋白混在一起。

执行 H3K9me3 和H3K27me3 的机器具有不同的“书写+阅读”机制。这里值得特别注意，“书写+阅读”是指“书写”这些修饰的酶可以同时“阅读”自己“书写”的内容，成为自己的“阅读者”，这使得这些组蛋白修饰（H3K9me3 和 H3K27me3）具有“自传播”的属性，因而赋予了其遗传性。

注：组蛋白修饰的形成、识别和去除可类比文字的书写、阅读和擦除过程，因此组蛋白修饰酶、组蛋白识别蛋白和组蛋白修饰的去除酶分别叫做组蛋白修饰的“书写者（writer）”、“阅读者（reader）”和“擦除者（eraser）”。

抑制性染色质结构域的遗传依赖于

“阅读+书写”的双重功能

负责组蛋白修饰形成的这些酶或者复合物也可以结合到组蛋白修饰，这种结合刺激这些酶或者复合物进一步修饰邻近的尚处于原始状态的核小体，这种正向反馈在子细胞中建立和巩固了抑制性的染色质结构域。甲基转移酶 SUV39H1 和 PRC2 复合物显示出了这种全能的“书写+阅读”能力：当它们的阅读模块（在 SUV39H1 中是一个染色质结构域（chromodomain），在 PRC2 中是个芳香性结构）结合到它们各自的酶催产物时，其中的酶活模块被激活，进一步催化邻近位点的 H3K9me3 和 H3K27me3。因此，只要同时具备亲源性的组蛋白修饰和组蛋白甲基转移酶，就能够在子代细胞中重现合适的组蛋白修饰模式。

图 7. Clr4 及其同源物的结构域 [6]

裂殖酵母中的甲基转移酶 Clr4 及其在哺乳动物中的同源物 SUV39H1，可以通过结合到 H3K9me 而建立和维持 H3K9me 结构域，这反过来又有助于其酶活的发挥，触发了进一步的 H3K9me。在裂殖酵母中，建立 H3K9me 结构域需要多种因子。目前清楚的是，异质染色质状态的遗传依赖于 H3K9me 的维持，而且还同时需要 Clr4 的 H3K9me 结合结构域和酶催活性，因此 Clr4 的角色十分重要。在内源性 Clr4 缺乏的情况下，人为地招募一个 Clr4 染色质域（chromodomain，CD）的突变体到活性染色质位点对于建立 H3K9me 结构域以及转录抑制来说足够了。但是，这种 Clr4 的突变体不能将 H3K9me3 异染色质传递给子细胞，这提示了组蛋白修饰的遗传与同时具有“阅读+书写”能力之间关系紧密。

在体外，Clr4 同等程度地结合到未修饰和 H3K9me3 的单核小体，然而，结合到其中一个核小体含有 H3K9me3 的双核小体时，其甲基转移酶活性被激活，而且以一种非构象变化的方式。这种结合让 Clr4 处于最佳位置，进而识别邻近的原始状态的核小体。类似地，SUV39H1 同时包含了“书写+阅读”模块，引发了 H3K9me3 传播。在这种情况下，SUV39H1的染色质域结合到 H3K9me3，导致其具有甲基转移酶活性的SET 结构域的构象激活。

在 H3K27me3 甲基化的情况下，PRC2 包含 4 个核心亚单元，分别为 SUZ12、EED、EZH2 和 RbAp48。EED 结合到 H3K27me3，这种结合通过构象变化激活 EZH2 的 SET 结构域。在哺乳动物中，PRC2 最开始被招募的位点和建立从头 H3K27me3 的位点（比如成核位点）很相似。但是，只有野生型的 EED 通过染色质结构域建立 H3K27me2 或者 H3K27me3，这强调了阅读功能的重要性。另一项研究来自线虫胚胎，其中部分包含 H3K27me，另一些没有。在 PRC2 缺乏的情况下，随着细胞分裂的进行， H3K27me 逐渐消失；但是当 PRC2 存在时，在胚胎发育过程中H3K27me 通过表观遗传机制传递下去。此外，植物中的研究发现，PRC2 抑制转录的场景并不局限于有丝分裂过程中，而且包括转录过程。

近期在果蝇中的研究提示，PRC2 招募到染色质的特定位点，比如多梳响应元件（Polycomb response elements），而这些位点对于长期的 H3K27me3 遗传是必须的，否则 H3K27me3 会在细胞分裂中被逐渐稀释。然而，值得注意的是，残存的 H3K27me3 在合适的子染色体结构域中遗传，强调了它的表观遗传角色和 PRC2 的“书写+阅读”能力在重建 H3K27me3 过程中的重要作用。但在哺乳动物中 PRC2 成核位点对于 H3K27me3 的遗传是否需要，还有待进一步鉴定。

其他可遗传的组蛋白修饰？

H4K20me 是一种抑制性的组蛋白修饰，被 L3MBTL1 蛋白（histonemethyl-lysine binding protein）的 MBT（malignant brain tumor）结构域结合，导致染色质致密化。有意思的是，H4K20 的甲基化与 H4K16ac 是互斥的。尽管 H4K20me 具有潜在的表观遗传特性，但是甲基化的 H4K20 的“书写+阅读”功能还有待证实。

尽管还存在很多其他“书写者”和“阅读者”，比如具有溴结构域的蛋白可以识别乙酰化的组蛋白，它们与“表观遗传的执行蛋白（epigenetic agent）”不同，因为它们并不激活 “书写”的活性。有一些组蛋白修饰酶可以结合到它们的产物，但是这种结合是否导致酶活的激活还有待证实。尽管如此，这些酶在常染色质区域发挥作用，而且它们持续的活性需要启动因子。

为什么抑制性的组蛋白修饰而不是激活性的组蛋白修饰可以遗传呢？抑制不合时宜的基因表达可能是多细胞生物的一种进化需要（关于单细胞生物如何进化为多细胞生物，以及多细胞生物形成过程中的取舍，详见此前的推文“细胞大爆炸”）。反过来想，如果是一种基因激活的正向反馈环路，这可能导致细胞可以承担过多的风险，它们可能导致在细胞命运决定中将一种动态变化的刺激转变为持久的错误，给细胞带来严重的不良后果。

这让我联想到了“细胞的自律”。细胞基因组在默认状态下应该是沉默状态的，一旦激活，必定要发挥某种功能。而从单细胞到多细胞生物的进化，使得我们获得了极其复杂的基因调控网络，同时也进化出了一种“自律”或者“智慧”，指挥基因只在合适的时间和合适的场合发声。这好像也符合生活规律，睿智的人通常很谦逊和低调。而低调是一种态度，当需要高调的时候，可以随时高调地起来。

读罢此文，或许我们才认识到，丰富的组蛋白修饰里中，只有零星几个被证明具有可遗传特性，表观遗传的大家族并不像我们想象的那么热闹，还需要更多的证据来鉴明表观遗传大家族成员的真伪。

参考文献：

1. Berger, S.L., et al., An operational definition of epigenetics.Genes & development, 2009. 23(7):p. 781-783.

2.Strahl, B.D. andC.D. Allis, The language of covalenthistone modifications. Nature, 2000. 403:p. 41.

3. Shi, Y., et al., Histone Demethylation Mediated by theNuclear Amine Oxidase Homolog LSD1. Cell, 2004. 119(7): p. 941-953.

4. Reinberg, D. andL.D. Vales, Chromatin domains rich ininheritance. Science, 2018. 361(6397):p. 33-34.

5. Ventham, N.T., etal., Beyond gene discovery ininflammatory bowel disease: the emerging role of epigenetics. Gastroenterology, 2013. 145(2): p.293-308.

6. Allshire, R.C. andH.D. Madhani, Ten principles ofheterochromatin formation and function.Nat Rev Mol Cell Biol, 2018. 19(4): p. 229-244.