Plus深读 | 又一组蛋白修饰和DNA甲基化的“通话”机制被石锤——H3K36me2通过DNMT3A指导基因间区DNA甲基化

哺乳类基因组中绝大多数CG中的胞嘧啶C都会发生5位甲基化（5mC）。DNA 5mC参与转录沉默和基因印记等重要生物学过程，其催化酶有DNMT1，DNMT3A以及DNMT3B。DNA甲基化的准确调控与机体发育有着密切的关系，因此其建立和维持也是表观遗传领域的关键问题。此前，Baubec, T发表在2015年《Nature》的研究 Genomic profiling of DNA methyltransferases reveals a role for DNMT3B in genic methylation 发现组蛋白H3K36三甲基化（H3K36me3）招募DNMT3B在基因转录区建立DNA 5mC甲基化，但是 基因间区的 DNA 甲基化是如何建立与维持的呢 ？

2019年9月4日，来自哥伦比亚大学欧文医疗中心的路超教授，洛克菲勒大学的C. David Allis教授和麦吉尔大学的Jacek Majewski教授带领的研究团队在Nature上在线发表题为 The histone mark H3K36me2 recruits DNMT3A and shapes the intergenic DNA methylation landscape 的文章，发现 NSD1 介导的 H3K36me2 ，对于基因间区 DNMT3A 的招募以及 DNA 甲基化的维持是重要的 ， 解开了上述的疑问。

在针对C3H10T1/2小鼠骨髓间充质干细胞的表观谱研究中，研究者意外地观察到DNMT3A/3B、DNA甲基化以及组蛋白H3K36me2/3的分布高度重叠（图1a和1b）。但与基因区不同的是，DNMT3A在基因间区与H3K36me2的相关性更好，似乎可能扮演更重要的角色（图1a，对比3个阴影区）。

图 1a. H3K36me3 、 H3K36me2 与 DNMT3A 、 DNMT3B 以及 CpG 甲基化在基因组上的分布位置高度拟合 ； 图 1b. 各类表观修饰水平相关性分析 : CpG 甲基化与 H3K36me2 、 H3K36me3 正相关性较强，与 H3K27ac 、 H3K27me3 、 H3K9me3 显著正相关性

通过体外实验，研究人员进一步阐明了 DNMT3A 的 PWWP 阅读器对于 H3K36me2 有着更强的结合 （此前领域中认为其只是H3K36me3的阅读器）。不同的是，DNMT3B对H3K36me3的亲和力最强，H3K36me2次之。因此，一个小小的甲基化的区别，就导致了基因组的分区，以及不同分区中的DNA甲基化的建立方式。具体的， DNMT pwwp结构域对H3K36me2和H3K36me3的优先结合指导了DNMT3A/3B在染色质中的定位，且H3K36me2和H3K36me3的比率是决定DNMT3A在染色质上分布模式的关键因素，也在较小程度上指导了DNMT3B的分布。 这个发现也暗示着 DNMT3A 和 3B 与组蛋白 H3K36me2 和 me3 在进化中，可能存在着共同演化的关系。目的是为了完成基因区和基因间区的划分，并同时维持两大区间内的 DNA 甲基化。

图 2. DNMT3Apwwp 结构域对不同修饰的组蛋白的亲和力实验： DNMT3Apwwp 对 H3K36me2 的亲和力最高， H3K36me3 次之，不与其它修饰的组蛋白结合

那么这个调控重要吗？ 研究者在3类人类疾病，TBRS，Sotos综合症和HNSCC（详见下），中证明了H3K36me2催化酶NSD1的缺失或是DNMT3A PWWP的突变，会导致基因间区H3K36me2和DNA 5mC显著下降，引发疾病表型。这些发现也提示，在未来针对这些疾病的治疗方案中，需要考虑到NSD1以及DNMT3A的失活以设计靶向性药物修复表观遗传稳态。

图 3a. HNSCC 细胞系基因组（ Chr5: 84.8–91.8 Mb ） ChIP-seq 图谱： 由 NSD1 突变引起的 H3K36me2 缺失伴随着相应位置 CpG 低甲基化）； 图 3b. HNSCC 细胞系中 H3K36me2 的水平与 CpG 甲基化水平呈线性正相关

本研究完善了本领域对于 DNA 甲基化建立和维持的认知： 现在我们知道了DNMT3A和DNMT3B在其PWWP结构域的指导下分别优先靶向富含H3K36me2的基因间区域和富含H3K36me3的基因内部区域。此外，在活性启动子区域，CpG岛通过CXXC阅读器招募TETs、KDM2B以及CFP-Set1a/b复合物，以建立低DNA甲基化、低H3K36me2以及高H3K4me3的染色质环境，从而保护启动子区免于异常甲基化。总的来说，他们提出以下观点： DNMT3A 和 DNMT3B 联合发挥作用在广泛的常染色区域建立 CpG 甲基化，而转录起始位点则通过另一套机制抑制 DNA 甲基化。

常染色体基因组甲基化建立模式图

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