Mol Cell?|?有絲分裂進入過程中組蛋白修飾的動態(tài)圖譜

撰文|雪月

細胞進入有絲分裂時，染色質(zhì)會快速壓縮，形成典型的桿狀有絲分裂染色體。這個過程對于染色體準確分離至關重要。已經(jīng)知道，condensin復合體在這個過程中非常重要，但除了這些結構蛋白之外，組蛋白修飾是否也在推動染色體壓縮，一直是這個領域關注的問題。尤其是組蛋白磷酸化、甲基化和乙酰化，在有絲分裂期間到底怎樣變化，不同研究之間并不完全一致。過去不少研究使用nocodazole或STLC把細胞阻斷在有絲分裂期，再去分析組蛋白修飾，但這種做法可能會把“自然進入分裂時的變化”和“分裂被延長滯留后的變化”混在一起 。

近日， 來自英國愛丁堡大學的William C. Earnshaw團隊在Molecular Cell上發(fā)表 了文章A time-resolved atlas of histone modifications during mitotic entry。 該研究通過高時間分辨率地追蹤細胞進入有絲分裂時的組蛋白修飾變化發(fā)現(xiàn)，早期有絲分裂中最顯著的變化是三套不同程序的H3磷酸化，H3T3ph主要標記依賴H3K9me3的異染色質(zhì)，而組蛋白乙酰化在自然分裂過程中僅輕度下降，因此明顯去乙酰化并不是驅(qū)動有絲分裂染色體形成的主要因素。

作者建立了一個高同步性 的實驗體系。他們使用雞 DT40 Cdk1as 細胞，在解除 G2 期阻滯后，讓細胞幾乎同步進入有絲分裂，然后在 0.5 、 2.5 、 5 、 7.5 、 15 和 30 分鐘這些時間點收集樣本。作者提取組蛋白后，主要使用高分辨率質(zhì)譜分析修飾水平的動態(tài)變化，同時結合 ChIP-seq 、 ChIP-qPCR 、免疫熒光和 western blot ，從整體水平和基因組定位兩個層面分析這些組蛋白修飾。作者也特意加入了 nocodazole 處理組，用來和 “ 自由進行的有絲分裂 ” 做對照，從而區(qū)分自然分裂過程中的變化和藥物阻斷后出現(xiàn)的變化。

文章首先發(fā)現(xiàn)，在有絲分裂進入過程中，變化最明顯的組蛋白修飾是磷酸化。作者對 60 種核心組蛋白肽段進行了定量，結果顯示，隨著細胞進入有絲分裂，磷酸化水平顯著升高，而其他大多數(shù)修飾整體變化并不大。進一步分析后，作者發(fā)現(xiàn) H3 上的三個磷酸化位點并不是同步變化的，而是表現(xiàn)出三種不同的程序。 H3S10ph 最早、最強，在早期就迅速升高，并在后期保持較高水平； H3T3ph 上升更晚，而且是相對短暫的； H3S28ph 則出現(xiàn)更晚，并持續(xù)增加。作者據(jù)此認為，有絲分裂早期存在三套彼此不同的磷酸化程序，而不是單一的統(tǒng)一變化。

接著，作者分析了甲基化與這些磷酸化之間的關系。結果顯示，H3K9、H3K4和H3K27相關甲基化在有絲分裂進入過程中整體上并沒有明顯改變。甲基化水平本身并沒有像磷酸化那樣發(fā)生大幅波動。鄰近的甲基化狀態(tài)會影響某些磷酸化能否發(fā)生。作者發(fā)現(xiàn)， H3T3ph 不會出現(xiàn)在帶有 H3K4me2 或 H3K4me3 的肽段上，只在未甲基化或 H3K4me1 背景下出現(xiàn)。與此同時， S10 和 S28 位點的磷酸化則不明顯受鄰近賴氨酸甲基化狀態(tài)影響。這個結果說明，不同位點之間的 “methyl-phos switch” 并不是普遍一致的。

在質(zhì)譜分析之外，作者進一步用 ChIP-seq 從基因組水平看 H3T3ph 分布。作者發(fā)現(xiàn)， H3T3ph 并不出現(xiàn)在啟動子鄰近的活躍染色質(zhì)區(qū)域，而是與 H3K4me2/3 富集區(qū)域基本互斥。相反，它與 H3K9me3 這種經(jīng)典組成型異染色質(zhì)標記高度相關，而與 H3K27me3 沒有明顯相關性。也就是說，作者認為 H3T3ph 在有絲分裂中更像是一個 異染色質(zhì)相關標記 。為了進一步驗證這種關系，作者使用 SUV39H1/2 抑制劑 chaetocin 降低 H3K9me3 ，結果發(fā)現(xiàn) H3K9me3 下降的同時， H3T3ph 也明顯下降；而抑制 Haspin 并不會反過來影響 H3K9me3 。結合 ChIP-qPCR 結果，作者提出H3K9me3是H3T3ph沉積所必需的條件。

隨后，作者又討論了 H3T3ph 與著絲粒的關系。結果發(fā)現(xiàn)， H3T3ph 在重復型著絲粒區(qū)域明顯富集，但在非重復型著絲粒中卻檢測不到明顯信號。這說明功能性的非重復型著絲粒在沒有 H3T3ph 的情況下依然可以存在和工作。因此，作者認為H3T3ph并不是所有著絲粒都必需的普遍標記，它更符合異染色質(zhì)相關修飾的特征。

最后 ， 作者比較了自由進行的有絲分裂與 nocodazole 阻斷條件下的乙酰化變化，發(fā)現(xiàn) H2A 、 H3 和 H4 上的多個乙酰化位點在自由進入有絲分裂時只是輕度下降，甚至有的基本不變；但在 nocodazole 阻斷兩小時后，乙酰化水平明顯下降。 western blot 結果也支持這個觀察。作者隨后又用 MG132 延長有絲分裂，發(fā)現(xiàn)隨著分裂被延長，乙酰化會逐漸持續(xù)下降。這說明明顯的組蛋白去乙酰化并不是染色體剛形成時就發(fā)生的主要事件，而更像是細胞在有絲分裂中被延長滯留后出現(xiàn)的結果。作者因此認為，在自然進行的有絲分裂中，組蛋白去乙酰化并不是驅(qū)動染色體形成的主要原因。

該研究發(fā)現(xiàn)有絲分裂早期主要發(fā)生的是組蛋白磷酸化重塑，而不是廣泛去乙酰化或甲基化改變。去乙酰化并不驅(qū)動有絲分裂染色體形成，而有絲分裂中condensin之外的染色質(zhì)壓縮機制仍然有待進一步解釋。

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2026.03.038

制版人： 十一

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