《Cell | 染色质状态依赖性调控和先导编辑的表观遗传操作》

  • 来源专题:战略生物资源
  • 编译者: 李康音
  • 发布时间:2024-04-15
  • 2024年4月11日,华盛顿大学, HHMI Jay Shendure团队在Cell杂志上发表了题为Chromatin context-dependent regulation and epigenetic manipulation of prime editing的研究。该研究通过建立新的分子生物学方法,阐述了影响PE效率的表观遗传因子,并且开发出基于表观遗传“编辑”从而有效操纵PE效率的新方法。

    首先,为了探究PE在不同染色质环境的工作效率,作者建立了一个T7-assisted reporter mapping assay,这个方法可以高效地定位所有随机插入基因组的PE reporter (synHEK3)。通过比较4000多个位点的编辑效率,作者发现PE效率与H3K79me2正相关,而且可以被表观遗传特性有效预测。通过深入分析,发现转录延伸是高效PE的决定因素。

    其次,为了研究chromatin context-dependent regulation,即表观遗传环境(cis-chromatin environment)和反式作用因子的相互作用,作者开发了一种基于单细胞测序(sci-RNA-seq3)的技术。通过将该技术运用在PE和pooled genetic screen中,作者可以将细胞受到的遗传干扰和不同染色质环境中的PE响应联系起来,进而发现chromatin context-dependent regulator – HLTF。

    最后,作者试图利用操纵编辑位点周围的表观遗传环境来改变编辑效率。通过CRISPRoff降低编辑基因的转录,PE效率能够被显著降低,证明了PE编辑效率和转录的紧密联系。反之,通过CRISPR activation对编辑基因启动子的预激活,PE效率可以被大幅提升。例如,对于基因CREB3L3,一个效率仅为5%的epegRNA在激活基因表达后,可以被提升到66%(16.5x)。作者还证明了此方法对多种细胞环境(K562,iPSCs),所有突变类型都有很好的提升效果。

    此工作建立了一系列新的、可以用来研究chromatin context-dependent regulation的分子生物学方法。当运用在基因编辑中,作者发现了调控PE效率的重要因子。这些方法对研究其他chromatin-associated processes都会有广泛意义。

  • 原文来源:https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)00311-8
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    • 细胞产生了许多发现和抑制微生物感染的机制。模式识别受体(PRRs)的运用是其中之一。PRRs可表达于细胞表面、胞质、或内涵体,用于发现病原相关分子模式(PAMPs)或被损坏细胞释放的危险信号(如危险相关分子模式,DAMP)。PRR的激活可激发信号级联反应,导致抗微生物细胞因子的产生,包括I型干扰素。这些细胞因子反过来诱导基因的表达,如干扰素诱导基因(ISGs),表现为抗微生物活性。除了PRRs,自噬是另一种细胞外防御机制。细胞以异体吞噬的方式用自噬清除细胞外病原体。病毒为了存活下来已经产生了不同的机制来抑制这些固有免疫反应。一个明显的例子是HCV NS3蛋白酶可将线粒体抗病毒信号蛋白(MAVS)切断。MAVS是能被HCV基因组RNA激活的胞浆模式识别受体RIG-I重要的下游接头分子。另一个例子是流感病毒NS1蛋白,结合E3泛素连接酶TRIM25防止器激活RIG-I。类似地,自噬通路可能被病毒抑制或被病毒利用于自身的复制中。前者以单纯疱疹病毒1的ICP34.5蛋白为代表。后者以HCV为代表,利用自噬增强它的复制。 在Ducroux等的报道中,作者展示了另一种病毒感染的细胞控制。通过运用一系列亲和纯化方法,作者发现Spindlin1是一种乙型肝炎病毒X蛋白(HBx)的结合对象。他们接下来发现Spindlin1能抑制HBV的复制,因为它的过表达减少了HBV RNA和DNA复制中间物的水平。相反,通过RNA干扰减少Spindlin1增强了HBV复制。他们指出Spindlin1对HBV的抑制效应是在转录水平,因为在核连缀(转录)分析中Spindlin1的过表达减少了HBV DNA的80%的转录活性,Spindlin1对HBV的效应具有特异性,细胞基因cyclinA2未观察到此现象。 Spindlin1有三个Tudor 样结构域并能结合至H3的三甲基赖氨酸4(H3K4me3)和不对称二甲基精氨酸8 (H3R8me2a)。通过染色质免疫共沉淀(ChIP)实验,Ducroux等揭示出Spindlin1能结合至HBV共价闭合环状DNA (cccDNA)基因组。有趣的是,这种结合在病毒基因组中HBx的表达消失后会增强,证明了HBx在Spindlin1结合至HBV基因组中的抑制作用。虽然减少Spindlin1实际上导致HBV cccDNA中H3K4me3水平明显增加,Spindlin1似乎并非通过H3K4me3结合至HBV cccDNA。研究结果表明Spindlin1通过结合至HBV cccDNA抑制H3的转录后修饰,从而与活性转录基因相关联。 Spindlin1对HSV-1 RNA的转录也呈现类似的抑制效应。                                                                                                        
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    •   种子的出现,使高等植物能够在多样的自然环境中得以广泛生存和分布。产生高活力的种子从而在环境条件合适时迅速萌发并发育产生健壮的幼苗是高等植物繁衍的关键,也是农业生产中种子品质的重要指标。然而,在种子形成时,其萌发和胚后发育的能力如何产生,尚不清楚。        近日,中国科学院遗传与发育生物学研究所姜丹华研究组在《自然-通讯》(Nature Communications)上,发表了题为Histone H3.3 deposition in seed is essential for the post-embryonic developmental competence in Arabidopsis的研究论文。该研究发现了一个组蛋白H3的变体H3.3在染色质上的装配是种子获得萌发和胚后发育能力的关键,并分析了H3.3在其中可能发挥的调控机制,为进一步阐释种子活力的形成机制奠定了基础。        对H3.3完全敲除的拟南芥突变体的研究发现,该突变体能够正常产生成熟的种子,且形态和种子储藏蛋白等指标均与野生型一致。然而,h3.3突变体种子无法正常萌发,抑或是少数萌发的种子也在萌发后立即停止发育。研究分析H3.3在种子染色质上的分布发现,其在成熟种子中具有特异的基因5’端/启动子区和基因3’端均富集的分布模式,而在营养组织如幼苗中H3.3仅在基因3’端富集。H3.3对于成熟种子中染色质开放性的形成颇为重要,促进基因5’端/启动子区的开放,从而使种子在萌发时感知环境以及胚后发育的基因能够正常表达。此外,H3.3在基因3’端抑制染色质的开放性和基因上的异常转录 (cryptic transcription)。   该研究揭示了植物通过组蛋白变体H3.3在种子中的特异装配,从而“打开”染色质为其萌发和胚后发育做了准备机制。因而在一定程度上H3.3具有类似先锋因子在细胞命运调节中的作用。作为一种替代(replacement)组蛋白,H3.3在较多植物细胞的分化时均发生明显富集。因此,H3.3可能是植物细胞命运决定的关键因子,对其作用机制的进一步研究将有助于探索植物再生等重要科学问题。        研究工作得到中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金和国家重点研发计划等的支持。