2月11日，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊Cell Research在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞卓越創(chuàng)新中心（生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所）童明漢研究組與復(fù)旦大學(xué)藍(lán)斐/北京大學(xué)湯富酬研究組最新合作研究成果“Refined spatial temporal epigenomic profiling reveals intrinsic connection between PRDM9-mediated H3K4me3 and the fate of double-stranded break”。與之前PRDM9決定DSB熱點(diǎn)研究不同，該文提出PRDM9及其介導(dǎo)的H3K4me3協(xié)同局部染色質(zhì)環(huán)境可能參與了DSB修復(fù)過程，與同源重組命運(yùn)決定相關(guān)；發(fā)現(xiàn)早期生成的DSBs更傾向于修復(fù)形成交叉。本文不僅為同源重組命運(yùn)決定和交叉穩(wěn)態(tài)的調(diào)控研究提供了新視角，也證實(shí)了遺傳物質(zhì)交換機(jī)制和表觀遺傳調(diào)控的相關(guān)性。

 

        減數(shù)分裂同源重組過程為遺傳物質(zhì)交換的基礎(chǔ)，也是同源染色體正確分離的保障。其過程高度復(fù)雜且受到嚴(yán)密調(diào)控。以小鼠為例，同源重組起始于SPO11和GM960復(fù)合物所介導(dǎo)的DNA雙鏈斷裂 (Double-Stranded Breaks, DSBs)；隨后，斷裂位點(diǎn)經(jīng)5’末端切割、單鏈入侵等使DSB獲得修復(fù)；最終在同源染色體之間形成交叉（Crossover）或非交叉（Non-Crossover），其中，大部分DSBs修復(fù)形成非交叉，大約僅有10% DSBs修復(fù)生成交叉。DSB位點(diǎn)并非隨機(jī)分布，而是具有明顯的偏好性，稱之為熱點(diǎn)（hotspot）。盡管已知PRDM9及其介導(dǎo)的H3K4me3修飾在在多數(shù)哺乳動(dòng)物DSB熱點(diǎn)選擇中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，但是，關(guān)于PRDM9介導(dǎo)的H3K4me3在DSB修復(fù)過程中是如何演化的，PRDM9及其介導(dǎo)的H3K4me3是否參與調(diào)控DSB修復(fù)過程即同源重組命運(yùn)決定，以及其它表觀修飾因子是否也在其中發(fā)揮作用，等等，目前均不清楚。因難以獲取高純度的各種亞型的哺乳動(dòng)物減數(shù)分裂前期I細(xì)胞，故同源重組命運(yùn)決定機(jī)制一直是哺乳動(dòng)物減數(shù)分裂研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。

 

       基于童明漢研究組前期建立的分離小鼠任意類型生精細(xì)胞的技術(shù)體系，研究人員將減數(shù)分裂前期I細(xì)胞細(xì)分為7個(gè)時(shí)期進(jìn)行研究，結(jié)合ChIP-seq技術(shù)，分析了包括H3K4me3在內(nèi)的8種組蛋白修飾在減數(shù)分裂前后的動(dòng)態(tài)變化；應(yīng)用NOMe-seq，觀察了DNA甲基化以及染色質(zhì)開放狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化，揭示了之前難以發(fā)現(xiàn)的減數(shù)分裂前期I細(xì)胞演化的未知規(guī)律。結(jié)果顯示，PRDM9介導(dǎo)的H3K4me3修飾在細(xì)線期(Leptotene)開始生成，至偶線期中期達(dá)到峰值，隨后逐步消失；同時(shí)，越早產(chǎn)生的H3K4me3越晚消失。這種H3K4me3動(dòng)態(tài)變化與DSB修復(fù)過程中同源重組中間產(chǎn)物的演變高度相關(guān)，提示PRDM9介導(dǎo)的H3K4me3可能參與了DSB修復(fù)過程。根據(jù)生成和消失時(shí)間，研究人員繼而將與重組熱點(diǎn)相關(guān)的H3K4me3分為四種類型，發(fā)現(xiàn)早期產(chǎn)生的H3K4me3信號(hào)強(qiáng)度與寬度均最強(qiáng)，且富集了更長(zhǎng)的PRDM9結(jié)合基序；那些快速消失的H3K4me3信號(hào)強(qiáng)度與寬度均最弱，且為較晚產(chǎn)生。這些結(jié)果表明早期生成的PRDM9介導(dǎo)的H3K4me3可能通過影響同源重組穩(wěn)定中間體dHJ(double Holliday Junction)，從而進(jìn)一步調(diào)控交叉形成；而那些弱而快速消失的則指導(dǎo)生成非交叉。

 

       與H3K4me3相比，H3K4me1修飾在重組熱點(diǎn)上出現(xiàn)得更早，消失得更晚，并且覆蓋了更多的核小體。有意思的是，在偶線期階段可以明顯觀察到DSB核心區(qū)域核小體H3K4me1被H3K4me3所替代的情況。鑒于體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)PRDM9具有催化H3K4me1的活性，研究人員推測(cè)H3K4me1可能是PRDM9催化產(chǎn)生H3K4me3過程的中間態(tài)；而早出現(xiàn)的H3K4me1則提示重組熱點(diǎn)決定發(fā)生的時(shí)間可能更早。

 

       除上述修飾外，本研究還發(fā)現(xiàn)了H3K36me3與H3K27ac也富集于重組熱點(diǎn)，而H3K9me2修飾則缺失于重組熱點(diǎn)；同時(shí)，觀察到重組熱點(diǎn)區(qū)域的染色質(zhì)與全基因組相比更加開放。有意思的是，不論H3K36me3與H3K27ac的富集，還是H3K9me2的缺失，抑或染色質(zhì)的開放，均隨Prdm9敲除而變化，表明上述表觀因子均為PRDM9依賴性的。與H3K4me3類似，相比于其它類型，早期產(chǎn)生的H3K36me3與H3K27ac具有更強(qiáng)的信號(hào)強(qiáng)度與寬度，染色質(zhì)也最為開放，提示H3K36me3, H3K27ac以及染色質(zhì)開放可能與H3K4me3一起共同在DSB命運(yùn)決定中發(fā)揮調(diào)控作用。同時(shí)，研究者根據(jù)上述表觀遺傳規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了4537個(gè)潛在的DSB熱點(diǎn)，其中置信度最高的302個(gè)位點(diǎn)值得后續(xù)進(jìn)行深入的機(jī)理分析。

 

        中國(guó)科學(xué)院分子細(xì)胞卓越創(chuàng)新中心（生物化學(xué)與細(xì)胞生物學(xué)研究所）陳瑤博士，復(fù)旦大學(xué)呂瑞途博士、榮博文博士生，北京大學(xué)鄭宇軒博士生及分子細(xì)胞中心林震博士為本文的共同第一作者。該工作得到分子細(xì)胞中心動(dòng)物實(shí)驗(yàn)技術(shù)平臺(tái)和細(xì)胞分析技術(shù)平臺(tái)的大力支持。同時(shí)，該工作還得到中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、上海市科委、中國(guó)博士后基金等的經(jīng)費(fèi)支持。