《Nature Communications》：Dual genomic localizations and gene regulatory functions of MBD-2 with and without NuRD in Caenorhabditis elegans which lacks DNA methylation
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本研究针对缺乏5-甲基胞嘧啶(5mC)DNA甲基化的模式生物秀丽隐杆线虫，揭示了其MBD-2蛋白通过卷曲螺旋结构域与NuRD复合物互作，同时发现大部分MBD-2独立于NuRD定位于富含H3K27me3的抑制性染色质区域。该研究阐明了在DNA甲基化缺失背景下，组蛋白修饰如何替代5mC发挥表观遗传调控功能，为理解表观调控机制的进化适应性提供了新视角。
在表观遗传学领域，5-甲基胞嘧啶(5mC)DNA甲基化作为一种古老的表观遗传标记，在脊椎动物的发育过程中发挥着至关重要的作用。然而令人惊讶的是，在秀丽隐杆线虫、果蝇等无脊椎动物中，虽然基因组中缺乏DNA甲基化，但其基因组却意外地保留了甲基CpG结合域蛋白2/3(MBD2/3)的同源基因。这一进化悖论引发了科学家的深思：在缺乏DNA甲基化的生物中，MBD2/3蛋白究竟扮演着什么角色？它们是否通过与其他表观遗传机制协作，补偿了DNA甲基化缺失带来的功能空缺？
为了解开这一谜团，香港大学的研究团队在《Nature Communications》上发表了最新研究成果。他们以缺乏DNA甲基化的模式生物秀丽隐杆线虫为研究对象，系统探究了其MBD-2同源蛋白(Cel-MBD-2)的生物学功能。尽管Cel-MBD-2缺乏典型的甲基结合域(MBD)，但研究人员发现它仍然保留了与核小体重塑和去乙酰化酶(NuRD)复合物相互作用的关键结构域。
研究人员首先构建了mbd-2基因的完全敲除突变体，观察到突变体出现了严重的发育缺陷和不育表型。通过活体成像技术，他们发现GFP标记的MBD-2蛋白在细胞核中呈现细胞周期依赖性的动态定位。在胚胎发育过程中，MBD-2在间期定位于核质，在细胞分裂期则从染色体上脱离，这种定位模式与其他NuRD组分相似。
转录组分析结果显示，mbd-2敲除导致超过25%的蛋白质编码基因表达异常，其中上调基因数量远多于下调基因，表明Cel-MBD-2主要发挥基因抑制作用。特别值得注意的是，当母源和合子mbd-2同时缺失时，突变体表现出更严重的表型，包括多外阴畸形和发育停滞。
为了阐明MBD-2与NuRD复合物的关系，研究人员通过免疫共沉淀-质谱联用技术证实了Cel-MBD-2确实与NuRD核心组分存在相互作用。有趣的是，当删除MBD-2的卷曲螺旋结构域(CC)后，虽然突变蛋白仍能定位到细胞核，但失去了与NuRD重塑核心组分的相互作用，且表现出与完全敲除突变体相似的表型和转录组变化，表明CC结构域对于MBD-2与NuRD复合物的功能至关重要。
全基因组结合谱分析揭示了Cel-MBD-2的双重结合模式。仅有6.6%的MBD-2结合位点与NuRD组分重叠，这些位点富含H3K4me3和H3K27ac等活性组蛋白标记。而绝大多数(93.4%)的MBD-2结合位点独立于NuRD，且与抑制性组蛋白标记H3K27me3和H3K9me2/3高度共定位。这种结合模式与哺乳动物中具有完整MBD结构域的MBD2蛋白相似，表明即使在缺乏DNA甲基化的背景下，MBD-2仍能通过不同的机制靶向基因组特定区域。
进一步分析发现，在基因表达激活时，MBD-2倾向于结合在转录起始位点(TSS)下游区域，而在基因抑制时则主要结合在启动子区域。这种结合位置的差异提示MBD-2可能通过不同的机制调控基因表达。
研究的关键技术方法包括：利用CRISPR/Cas9技术构建mbd-2基因敲除和卷曲螺旋结构域缺失突变体；通过RNA测序分析突变体的全基因组转录组变化；采用染色质免疫共沉淀测序(ChIP-seq)绘制MBD-2的全基因组结合图谱；使用免疫共沉淀-质谱联用技术(IP-MS)鉴定MBD-2的相互作用蛋白；所有实验均使用秀丽隐杆线虫作为模型生物。
Ce/-MBD-2缺乏甲基结合域(MBD)但在细胞核中广泛表达
研究显示，Cel-MBD-2虽然缺乏典型的甲基结合域，但保留了与NuRD复合物相互作用的卷曲螺旋结构域和内在无序区域。通过GFP标记发现，MBD-2在胚胎细胞核中高表达，且定位具有细胞周期依赖性。在幼虫和成虫的生殖线和肠道等组织中也广泛存在核质定位。
Ce/-MBD-2对生育能力和外阴发育至关重要
mbd-2完全敲除突变体表现为体型小、活动能力弱、外阴突出等表型。P0代突变体虽能产生少量后代，但多数在成虫期第3-4天死亡。F1代突变体表型更为严重，包括完全不育、多外阴畸形和发育停滞。这些结果表明MBD-2在线虫发育和繁殖中起关键作用。
秀丽隐杆线虫mbd-2敲除突变体中转录组的剧烈失调
转录组分析发现，mbd-2敲除导致超过5000个基因表达异常，其中上调基因占多数，表明MBD-2主要发挥转录抑制作用。基因本体分析显示，神经系统发育相关基因普遍上调，而代谢通路相关基因则下调。
卷曲螺旋结构域贡献于线虫mbd-2的主要基因调控功能
卷曲螺旋结构域缺失突变体表现出与完全敲除相似的表型和转录组变化，且与NuRD组分缺失的转录组变化高度重叠，证实该结构域对MBD-2的功能至关重要。
MBD-2通过其卷曲螺旋结构域作为NuRD复合物的支架组分
IP-MS分析证实MBD-2与NuRD组分的相互作用，且卷曲螺旋结构域的缺失导致MBD-2与染色质重塑核心组分的相互作用显著减弱。
大多数Cel-MBD-2结合位点不与NuRD重叠
ChIP-seq分析发现，仅少数MBD-2结合位点与NuRD组分共定位，大部分位点独立于NuRD，且富含抑制性组蛋白标记。
Ce/-MBD-2在不依赖其他NuRD组分和转录因子的情况下定位于抑制性染色质
尽管鉴定出多个与MBD-2相互作用的转录因子，但它们并非MBD-2非NuRD结合位点的主要招募因子。全基因组结合模式显示MBD-2偏好染色体臂区，这些区域富含抑制性组蛋白标记。
H3K27me3特异性与非NuRD重叠的MBD-2基因靶点相关
H3K27me3特异性地富集在非NuRD重叠的MBD-2靶基因，而在NuRD重叠的靶点中几乎不存在，表明H3K27me3可能参与招募MBD-2至其独立结合位点。
研究结论表明，在缺乏DNA甲基化的线虫中，MBD-2通过两种不同的机制调控基因表达：一方面作为NuRD复合物的支架组分调控活性染色质基因，另一方面独立于NuRD结合抑制性染色质区域。特别值得注意的是，H3K27me3可能作为5mC的表观遗传替代标记，帮助MBD-2靶向特定的基因组区域。这一发现为理解表观调控机制在进化过程中的适应性提供了新视角，表明即使在没有DNA甲基化的生物中，组蛋白修饰也可以承担类似的调控功能。
该研究不仅揭示了MBD-2在无DNA甲基化背景下的新功能，也为理解表观遗传调控网络的进化提供了重要线索。未来研究可进一步探讨H3K27me3与MBD-2相互作用的分子机制，以及在其它无DNA甲基化生物中是否存在保守的调控模式。
