表觀遺傳系列 | 哪些組蛋白修飾可遺傳？
表觀遺傳性狀是指不依賴於 DNA 序列變化的染色質改變引起的穩定可遺傳的性狀 [1]。這個定義中包含了兩個基本的條件：a) 染色質歸根結底還是發生變化了，但並不是 DNA 序列的改變；b) 這種染色質的改變可以引起性狀的改變，而且最重要的是，這種改變的性狀可以穩定遺傳。改變了的性狀（或理解為「獲得性性狀」）的穩定遺傳依賴於基因表達調控機器的遺傳。在細胞複製後，不僅僅實現了遺傳物質複製，而且決定遺傳物質在何時何地表達的機器也需要傳遞下去。
不依賴於 DNA 序列變化的基因表達調控方式很多，包括 DNA 甲基化、組蛋白修飾和非編碼 RNA 調控等。這些方式哪些可以穩定遺傳？遺傳其實體現在兩個層面，首先是細胞層面，比如真核生物體細胞在有絲分裂之後，這些表觀遺傳 marker 或者染色質狀態是否可以傳遞下去；另一層體現在個體層面，即獲得性性狀是否可以在代際間傳遞。通常第一個層面的相對容易證明，而第二個層面的探索受到諸多外界因素的干擾，嚴格地證實相對較難。
從 2000 年C. David Allis 提出「組蛋白密碼（histone code）[2]」開始，組蛋白修飾調控基因表達的證據加速湧現；2004 年，哈佛大學施揚教授課題組發現了第一個組蛋白去甲基化酶 LSD1[3]，組蛋白修飾的可逆性得到進一步揭示，同時極大地加深了人們對組蛋白修飾功能的理解。時至今日，組蛋白修飾已經被公認為是表觀遺傳的核心組成之一。但仔細考究一番，組蛋白修飾真的滿足「表觀遺傳」的定義嗎？組蛋白修飾對基因表達的調控證據堆積成山，但組蛋白修飾真的可以遺傳嗎？或者種類繁多的組蛋白修飾，究竟有哪些才具有「可遺傳」的屬性呢？
2018 年 7 月 6 日，表觀遺傳領域的開拓者之一 Danny Reinberg 在 Science 發表了觀點（Perspectives）文章[4]，就「哪些組蛋白修飾可以遺傳及其機制」進行了探討。以下對該文的核心觀點進行了梳理。
染色質的兩種狀態 未修飾的組蛋白帶正電，而 DNA 帶負電，兩者通過靜電作用結合在一起形成核小體；組蛋白與鄰近的核小體之間也具有靜電作用，因此在默認情況下，染色質應該是緻密壓縮的（異染色質，heterochromatin），基因整體上處於抑制狀態。而無論是DNA 的複製、轉錄還是修復，都需要染色質處於開放狀態（常染色質，euchromatin），那麼問題來了，染色質是怎麼打開的呢？
這種轉錄狀態的維持需要轉錄激活因子（也即啟動因子 initiators，它們可以結合到 DNA 中的調控序列，比如啟動子區域）的持續出現，而這些 initiator 可以招募共激活因子（co-activator），包括組蛋白乙醯基轉移酶，以進一步乙醯化啟動子區域附近的組蛋白。此外，RNA 聚合酶Ⅱ的 C-端結構域的多個位點的磷酸化，包括 Ser5-P 和 Ser2-P，可以招募特定的甲基轉移酶，進而獨立地甲基化 H3K4 和 H3K36，以進一步促進轉錄。
抑制性組蛋白修飾可遺傳，而不是促進性修飾 開放的染色質狀態（轉錄機器可以進入）本身並不是可遺傳的，因此不能劃歸到表觀遺傳。在每一輪 DNA 複製或者有絲分裂結束後，H4K16ac 負責重建開放的染色質狀態，而且基因的表達還需要一個啟動因子（initiator）。先打開染色質，隨後觸發轉錄，H4K16ac 和 initiator 分工明確。這種工作模式提示，有助於打開染色質的H4K16ac 可能在細胞複製過程中遺傳下去，但是目前還沒有確鑿的證據。
總的來說，一旦啟動因子撤離以後，染色質通過某種機制回到緻密壓縮狀態，這種壓縮狀態的染色質，必須包含可以傳遞這種抑制性的染色質狀態到子細胞的信息，這種精準的遺傳可以維持細胞譜系中基因表達的完整性。 抑制性染色質結構域的遺傳 在釀酒酵母中的研究發現，NAD（煙醯胺腺嘌呤二核苷酸）依賴的組蛋白去乙醯化酶 Sir2 所介導的 H4K16ac 的局部去乙醯化，對於建立緻密的（也即抑制性的）染色質結構域是必須的。在酵母特定的染色質區域，比如交配型基因座（mating-type loci）、核糖核蛋白 DNA 重複序列以及端粒中，這種緻密的染色質結構域可以在數代間維持。因此，即便染色質當前處於開放狀態，一旦要傳遞給子細胞時，也需先回到緻密的狀態，隨後將這種緻密的染色質結構域傳遞給子細胞。 在機制方面，這些位點的 H4K16ac 去乙醯化依賴於Sir 複合物（Sir2-Sir3-Sir4）。比如，在交配型基因座中，Sir 複合物通過與Sir1 的適配子（adaptor）和啟動因子Orc2（the origin recognition complex，起始識別複合物）的直接相互作用而被招募。 Sir2 對 H4K16ac去乙醯化，隨後與 Sir3 結合。Sir3 與 Sir2、Sir4 的相互作用傳播了這種去乙醯化狀態。更重要的是，去乙醯化狀態的維持不再需要 Sir1-Orc 啟動因子。相反，在細胞周期中組蛋白去乙醯化酶 Sir2 維持抑制性的染色質結構域，但並不清楚這種機制也適用於高等真核生物。
在高等真核生物中的研究顯示，唯一可以遺傳的染色質結構域包含與抑制性染色質相關的 H3K9me3和 H3K27me3。這些組蛋白修飾為其他壓縮染色質的因子提供結合位點，在特定的染色質位點，由核心調控因子（master regulators）驅動，形成大的組成型異染色質（constitutive heterochromatin，含有 H3K9me3）或者兼性異染色質（facultative heterochromatin，含有 H3K27me3）的染色質結構域。儘管這些研究還在進行之中，但是在 DNA 複製過程中，組蛋白修飾傾向於分離到合適的子染色質結構域，因此包含親源組蛋白修飾的核小體與新合成的沒有修飾的組蛋白混在一起。
執行 H3K9me3 和H3K27me3 的機器具有不同的「書寫+閱讀」機制。這裡值得特別注意，「書寫+閱讀」是指「書寫」這些修飾的酶可以同時「閱讀」自己「書寫」的內容，成為自己的「閱讀者」，這使得這些組蛋白修飾（H3K9me3 和 H3K27me3）具有「自傳播」的屬性，因而賦予了其遺傳性。
註：組蛋白修飾的形成、識別和去除可類比文字的書寫、閱讀和擦除過程，因此組蛋白修飾酶、組蛋白識別蛋白和組蛋白修飾的去除酶分別叫做組蛋白修飾的「書寫者（writer）」、「閱讀者（reader）」和「擦除者（eraser）」。 抑制性染色質結構域的遺傳依賴於「閱讀+書寫」的雙重功能 負責組蛋白修飾形成的這些酶或者複合物也可以結合到組蛋白修飾，這種結合刺激這些酶或者複合物進一步修飾鄰近的尚處於原始狀態的核小體，這種正向反饋在子細胞中建立和鞏固了抑制性的染色質結構域。甲基轉移酶 SUV39H1 和 PRC2 複合物顯示出了這種全能的「書寫+閱讀」能力：當它們的閱讀模塊（在 SUV39H1 中是一個染色質結構域（chromodomain），在 PRC2 中是個芳香性結構）結合到它們各自的酶催產物時，其中的酶活模塊被激活，進一步催化鄰近位點的 H3K9me3 和 H3K27me3。因此，只要同時具備親源性的組蛋白修飾和組蛋白甲基轉移酶，就能夠在子代細胞中重現合適的組蛋白修飾模式。
裂殖酵母中的甲基轉移酶 Clr4 及其在哺乳動物中的同源物 SUV39H1，可以通過結合到 H3K9me 而建立和維持 H3K9me 結構域，這反過來又有助於其酶活的發揮，觸發了進一步的 H3K9me。在裂殖酵母中，建立 H3K9me 結構域需要多種因子。目前清楚的是，異質染色質狀態的遺傳依賴於 H3K9me 的維持，而且還同時需要 Clr4 的 H3K9me 結合結構域和酶催活性，因此 Clr4 的角色十分重要。在內源性 Clr4 缺乏的情況下，人為地招募一個 Clr4 染色質域（chromodomain，CD）的突變體到活性染色質位點對於建立 H3K9me 結構域以及轉錄抑制來說足夠了。但是，這種 Clr4 的突變體不能將 H3K9me3 異染色質傳遞給子細胞，這提示了組蛋白修飾的遺傳與同時具有「閱讀+書寫」能力之間關係緊密。
在體外，Clr4 同等程度地結合到未修飾和 H3K9me3 的單核小體，然而，結合到其中一個核小體含有 H3K9me3 的雙核小體時，其甲基轉移酶活性被激活，而且以一種非構象變化的方式。這種結合讓 Clr4 處於最佳位置，進而識別鄰近的原始狀態的核小體。類似地，SUV39H1 同時包含了「書寫+閱讀」模塊，引發了 H3K9me3 傳播。在這種情況下，SUV39H1的染色質域結合到 H3K9me3，導致其具有甲基轉移酶活性的SET 結構域的構象激活。
在 H3K27me3 甲基化的情況下，PRC2 包含 4 個核心亞單元，分別為 SUZ12、EED、EZH2 和 RbAp48。EED 結合到 H3K27me3，這種結合通過構象變化激活 EZH2 的 SET 結構域。在哺乳動物中，PRC2 最開始被招募的位點和建立從頭 H3K27me3 的位點（比如成核位點）很相似。但是，只有野生型的 EED 通過染色質結構域建立 H3K27me2 或者 H3K27me3，這強調了閱讀功能的重要性。另一項研究來自線蟲胚胎，其中部分包含 H3K27me，另一些沒有。在 PRC2 缺乏的情況下，隨著細胞分裂的進行， H3K27me 逐漸消失；但是當 PRC2 存在時，在胚胎髮育過程中H3K27me 通過表觀遺傳機制傳遞下去。此外，植物中的研究發現，PRC2 抑制轉錄的場景並不局限於有絲分裂過程中，而且包括轉錄過程。 近期在果蠅中的研究提示，PRC2 招募到染色質的特定位點，比如多梳響應元件（Polycomb response elements），而這些位點對於長期的 H3K27me3 遺傳是必須的，否則 H3K27me3 會在細胞分裂中被逐漸稀釋。然而，值得注意的是，殘存的 H3K27me3 在合適的子染色體結構域中遺傳，強調了它的表觀遺傳角色和 PRC2 的「書寫+閱讀」能力在重建 H3K27me3 過程中的重要作用。但在哺乳動物中 PRC2 成核位點對於 H3K27me3 的遺傳是否需要，還有待進一步鑒定。 其他可遺傳的組蛋白修飾？ H4K20me 是一種抑制性的組蛋白修飾，被 L3MBTL1 蛋白（histonemethyl-lysine binding protein）的 MBT（malignant brain tumor）結構域結合，導致染色質緻密化。有意思的是，H4K20 的甲基化與 H4K16ac 是互斥的。儘管 H4K20me 具有潛在的表觀遺傳特性，但是甲基化的 H4K20 的「書寫+閱讀」功能還有待證實。儘管還存在很多其他「書寫者」和「閱讀者」，比如具有溴結構域的蛋白可以識別乙醯化的組蛋白，它們與「表觀遺傳的執行蛋白（epigenetic agent）」不同，因為它們並不激活 「書寫」的活性。有一些組蛋白修飾酶可以結合到它們的產物，但是這種結合是否導致酶活的激活還有待證實。儘管如此，這些酶在常染色質區域發揮作用，而且它們持續的活性需要啟動因子。
為什麼抑制性的組蛋白修飾而不是激活性的組蛋白修飾可以遺傳呢？抑制不合時宜的基因表達可能是多細胞生物的一種進化需要（關於單細胞生物如何進化為多細胞生物，以及多細胞生物形成過程中的取捨，詳見此前的文章）。細胞大爆炸與返祖反過來想，如果是一種基因激活的正向反饋環路，這可能導致細胞可以承擔過多的風險，它們可能導致在細胞命運決定中將一種動態變化的刺激轉變為持久的錯誤，給細胞帶來嚴重的不良後果。
這讓我聯想到了「細胞的自律」。細胞基因組在默認狀態下應該是沉默狀態的，一旦激活，必定要發揮某種功能。而從單細胞到多細胞生物的進化，使得我們獲得了極其複雜的基因調控網路，同時也進化出了一種「自律」或者「智慧」，指揮基因只在合適的時間和合適的場合發聲。這好像也符合生活規律，睿智的人通常很謙遜和低調。而低調是一種態度，當需要高調的時候，可以隨時高調地起來。 讀罷此文，或許我們才認識到，豐富的組蛋白修飾里中，只有零星幾個被證明具有可遺傳特性，表觀遺傳的大家族並不像我們想像的那麼熱鬧，還需要更多的證據來鑒明表觀遺傳大家族成員的真偽。 參考文獻：1. Berger, S.L., et al., An operational definition of epigenetics. Genes & development, 2009. 23(7):p. 781-783.
2. Strahl, B.D. and C.D. Allis, The language of covalent histone modifications. Nature, 2000. 403:p. 41.3. Shi, Y., et al., Histone Demethylation Mediated by the Nuclear Amine Oxidase Homolog LSD1. Cell, 2004. 119(7): p. 941-953.4. Reinberg, D. and L.D. Vales, Chromatin domains rich in inheritance. Science, 2018. 361(6397):p. 33-34.5. Ventham, N.T., et al., Beyond gene discovery in inflammatory bowel disease: the emerging role of epigenetics.Gastroenterology, 2013. 145(2): p.293-308.6. Allshire, R.C. and H.D. Madhani, Ten principles of heterochromatin formation and function. Nat Rev Mol Cell Biol, 2018. 19(4): p. 229-244.本文原刊發於「 Epigenetics表觀遺傳學」微信公眾號，獲取更多內容，歡迎關注。
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