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【第八十九期】DNMT3A的无序N端结构域识别H2AK119ub对小鼠出生后的发育不可或缺

已有 2810 次阅读 2022-7-2 14:38 |个人分类:遗传基因致病机制|系统分类:科普集锦

2022年5月9日，美国贝勒医学院Margaret A. Goodell团队在Nature Genetics杂志上在线发表了研究论文“The disordered N-terminal domain of DNMT3A recognizes H2AK119ub and is required for postnatal development”。该研究主要研究了DNMT3A1在小鼠出生后发育中具有亚型特异性作用，并揭示了N末端是DNMT3A1染色质在神经系统中占有和功能的必要调节域。

研究背景

DNA甲基化是哺乳动物可遗传的表观遗传修饰，涉及许多生物学过程，如转座子沉默、X染色体失活基因表达的调控。DNMT3A是两种de novo甲基转移酶之一，它们向CpG二核苷酸中未甲基化的胞嘧啶中添加甲基，以建立基因组DNA甲基化模式。在人类中，尽管经常在血液系统恶性肿瘤中发现DNMT3A突变，但最近在发育性生长障碍患者中发现了DNMT3A突变，如塔顿-布朗-拉赫曼综合征和小头侏儒症。对敲除小鼠模型的研究表明，DNMT3A对出生后的发育至关重要，并参与神经系统的多个过程。

DNMT3A含有一个C末端催化甲基转移酶结构域和两个已知的调节结构域。ATRX–DNMT3–DNMT3L结构域与组蛋白H3的非甲基化赖氨酸4（H3K4me0）相互作用，引导甲基化远离活性启动子，而Pro–Trp–Trp–Pro（PWWP）结构域被认为可以检测其他组蛋白标记，包括H3K36me3和H3K36me2，从而实现基因体和基因间区域的有效DNA甲基化。调控域和组蛋白修饰以及其他因素之间的相互作用使得DNMT3A能够以复杂的方式影响染色质结构和基因表达。DNMT3A有两种主要的蛋白质亚型，不同之处在于全长DNMT3A1中存在219个氨基酸N末端，而DNMT3A2从内含子启动子转录并剪接到下游外显子，因此DNMT3A2缺少N末端结构域。

研究结果

虽然DNMT3A在调节DNA甲基化和发育中的作用已被研究，但对其两种亚型的功能差异知之甚少。因此，为了探讨DNMT3A亚型在小鼠发育中的不同作用，研究人员首先分别构建了两个异构体-长亚型DNMT3A1和短亚型DNMT3A2-特异敲除的小鼠模型。发现出生后18天后，DNMT3A1在大多数组织中的表达更高，尤其是在大脑区域，而DNMT3A2在胸腺中的表达中等，在骨髓、脾脏和睾丸中的表达较弱。另外也发现， DNMT3A1^–/–小鼠的表型与Dnmt3a缺失小鼠的表型非常相似，而在DNMT3A2^–/–小鼠体内未观察到任何表型，这表明DNMT3A1而不是DNMT3A2对小鼠出生后发育至关重要（图1）。接下来，在脑组织中重新表达DNMT3A1可以延长敲除鼠的寿命，再次说明DNMT3A1小鼠出生后神经系统的发育至关重要。

图1 DNMT3A1对小鼠出生后发育至关重要

图2 DNMT3A1 N端缺失导致出生后发育受损

对其机制进行深入研究发现，缺失了DNMT3A1 N端的小鼠也表现出发育和行为学上的异常，并且DNMT3A1 N端敲除鼠在出生后一年内死亡，这证明了DNMT3A1 N端对该蛋白发挥正常功能有重要贡献（图2）。DNMT3A1需要N末端来调节DNA甲基化，从而调节大脑皮层中的基因表达。接下来，研究人员对来自大脑皮层的分类神经元细胞核进行了组蛋白修饰芯片-seq、DNA甲基化图谱和RNA-seq，发现根据DNMT3A（DNMT3A1）缺失后基因的表达变化可能与由DNA低甲基化程度、DMR的位置以及基因组位点的其他微环境变化有关，包括多梳复合物招募、染色质可及性和三维基因组结构的变化。另外也发现，N-末端缺失的DNMT3A1可能在二价启动子侧翼区域失去富集，导致DNA甲基化和发育基因表达的失调。接下来，为了探讨DNMT3A1在二价启动子两侧区域富集的机制，进行了体外核小体下拉试验，结果测到DNMT3A1 N末端片段N219和N278优先结合到具有组蛋白H2AK119单泛素化的核小体（图3），这是由E3连接酶RING1A/B沉积在多梳抑制复合物1（PRC1）中的多梳标记。

图3 Dnmt3a1^-/-神经元细胞核中DNA甲基化与基因表达变化的整合分析

结论

总之，该研究通过使用DNMT3A亚型特异性KO小鼠模型首次证明了DNMT3A1在调节小鼠出生后发育中的独特和重要作用。另外，利用N末端缺失模型将柔性N末端描述为ESC和大脑中染色质状态的“读取器”，将DNMT3A1定向到其二价靶点，并调节DNA甲基化和基因表达。N末端作为一个关键的调节域，可能有助于微调癌症中异常的DNA甲基组，或逆转人类生长障碍（如小头侏儒症）中DNMT3A1功能获得突变导致的高甲基化。

参考文献：Tianpeng Gu, Dapeng Hao , Junsung Woo, et al. The disordered N-terminal domain of DNMT3A recognizes H2AK119ub and is required for postnatal development. Nat Genet. 2022;54(5):625-636.