RNAi介導的異染色質在DNA複製中的維持機制
撰文 | 賽小記（博士）
1928年，植物學家Emil Heitz 首次發現細胞中存在一種緻密的染色質結構，並稱之為異染色質區域【1】。後來的研究發現，這種異染色質主要存在於中心粒，端粒和一些DNA重複序列的位置。由於其包裹緻密，通常難以被活躍的轉錄因子接觸而處於轉錄抑制的狀態。因此，也就有助於抑制這些區域的過度活躍，保證基因組的穩定性。
在酵母中，異染色質的建立大都依賴於RNAi（RNA interference）通路介導的組蛋白修飾H3K9me的建立【1】。常染色質建立新的H3K9me需要兩個條件，一是通過該區域的nascent RNA作為平台招募靶向該位點的trigger siRNA，帶來（RNAi-induced transcriptional gene silencing）複合體。二是RITS幫助招募H3K9me的甲基轉移酶Clr4來催化形成H3K9me。但是由於常染色質區域轉錄活躍，nascent RNA在轉錄出來後被迅速運走，所以在常染色質建立新的H3K9me通常需要敲除mRNA運輸蛋白來提高nascent RNA的原位穩定性。同樣，對於H3K9me在DNA複製過程中的維持，之前哈佛醫學院Moazed組證明，在沒有RNAi的情況下，Clr4很難獨立維持穩定的H3K9me【2,3】。
那麼，RNAi可以幫助Clr4一起維持H3K9me的穩定遺傳嗎？如果可以, RNAi在H3K9me的維持中的機制是否和建立時一樣？RITS是否仍然需要依賴持續穩定的nascent RNA還是可以通過和舊的H3K9me相互作用來維持H3K9me的遺傳呢？2018年6月20日，Moazed組的博士研究生Ruby Yu和Xiaoyi Wang在Nature雜誌上的文章詳細地回答了這些問題【4】。
為了回答這些問題，研究人員巧妙地在酵母中同時構建了H3K9me從頭建立和H3K9me維持這兩個模型，來比較RITS行使功能所需要的組分。
在酵母chr1的中心粒異染色質區域轉入的ade6基因，會被中心粒已有的H3K9me沉默併產生siRNA，介導內源chr3的ade6基因H3K9me的從頭建立。而chr3上建立後的H3K9me可以繼續遺傳至後代。
通過這個模型，研究人員首先證明破壞mRNA的運輸（可能有助於更多nascent RNA保留在chr3的ade6上招募RITS複合體）和chr1上產生的trigger siRNA對於在chr3上從頭建立H3K9me是必需的。但是一旦chr3上的H3K9me建立以後，會在附近產生大範圍的次級siRNA，並不再依賴於原有的chr1上的siRNA和破壞mRNA運輸來保證H3K9me信號的遺傳。
sRNA-seq檢測到在chr3的ade6基因附近產生的大量次級siRNA信號
由於體內一直存在的H3K9me的擦除機制，所以利用次級siRNA的大量產生和招募RITS結合舊的H3k9me來幫助招募Clr4能夠以更高的效率來維持異染色質上H3K9me的動態平衡。
左圖：在有RNAi的情況下，RITS被nascent RNA招募後結合舊的H3K9me並幫助招募Clr4建立新的H3K9me；右圖：在沒有RNAi的H3K9me位點，擦除快於建立，H3K9me不能維持
這一研究發現，H3K9me的維持的條件不同於H3K9me的建立。在從頭建立H3K9me的過程中，由於mRNA或者常染色體轉錄本不能有效地被RITS 結合, 需要破壞mRNA的運輸來使nascent RNA更好地被RITS結合，來幫助建立H3K9me。但是一旦H3K9me建立以後，在DNA複製過程中，由於染色質上有一半舊的帶有H3K9me的組蛋白，RITS可以結合到這些H3K9me上增加其穩定性，同時產生大量次級siRNA。因此，即使拿掉了trigger siRNA和最開始的mRNA運輸蛋白突變, H3K9me還是可以穩定的維持下去。同樣，Clr4也是通過「讀-寫」機制來維持H3K9me，Clr4可以結合（讀）舊的帶有H3K9me的組蛋白上的修飾，合成（寫）新的組蛋白上的修飾。所以，從分子機制角度講，這是兩個經典的正反饋調節機制介導的表觀遺傳模型。一個是RITS結合H3K9me後產生更多siRNA來招募RITS。另外一個是Clr4催化生成的H3k9me也能結合更多的Clr4。
Danesh Moazed實驗室現在主要致力於用裂殖酵母和哺乳動物細胞研究組蛋白修飾，非編碼RNA 和DNA序列如何調控表觀修飾遺傳的原理。過去的二十年里，Danesh Moazed對於異染色質的建立和維持做出了里程碑式的貢獻，包括RITS 複合體的純化，發現了RNAi介導的異染色質形成的原理，以及首次證明了組蛋白修飾本身可以作為可遺傳的表觀遺傳信息的載體。
參考文獻
1. Lippman, Z. & Martienssen, R. The role of RNA interference in heterochromatic silencing. Nature 431, 364–370 (2004).
2. Ragunathan, K., Jih, G. & Moazed, D. Epigenetic inheritance uncoupled from sequence-specific recruitment. Science (80-. ). 348, (2015).
3. Wang, X. & Moazed, D. DNA sequence-dependent epigenetic inheritance of gene silencing and histone H3K9 methylation. Science (80-. ). 356, 88–91 (2017).
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