综述：Polycomb调控因子介导的3D染色质相互作用在基因调控中的作用

《Current Opinion in Genetics & Development》：Polycomb-mediated 3D chromatin interactions in gene regulation

Polycomb系统通过3D染色质相互作用调控基因沉默，挑战传统模型并揭示PRC1复合体（包括经典和变体PRC1）与PRC2的协同作用机制，提出染色质可及性抑制、转录激活准备、H3K27me3扩散及变体PRC1特异性抑制四种假说。

　　

Sumin Kim | Miles K Huseyin | Anders S Hansen

麻省理工学院生物工程系，美国马萨诸塞州剑桥市 02139

Polycomb抑制系统是一种保守的、基于染色质的转录调控因子，对多细胞生物的正常发育至关重要。Polycomb组蛋白催化抑制性的组蛋白修饰并组织三维染色质相互作用。虽然Polycomb沉积的组蛋白修饰与基因抑制之间的关系已经得到充分证实，但Polycomb介导的三维染色质相互作用如何参与基因调控仍不清楚。在这篇综述中，我们讨论了这些相互作用形成的最新见解以及它们如何参与Polycomb依赖性基因调控的潜在模型。

引言

Polycomb组（PcG）蛋白通过建立和维持谱系特异性基因的抑制来确保多细胞生物的正常发育1, 2, 3。PcG蛋白对于维持干细胞的多能性以及在分化过程中确定细胞身份非常重要，这些蛋白的突变与发育异常和癌症有关[4]。PcG蛋白最初是在黑腹果蝇中发现的，通过对导致体节异常的Homeotic（Hox）基因失调的突变进行分析[2], 3, 4。后续的研究发现了哺乳动物的PcG同源物[2]，证实它们是一个保守的转录抑制系统。

PcG蛋白组装成两个主要复合体：Polycomb抑制复合体1（PRC1），它催化组蛋白H2A的单 ubiquitination（H2AK119ub）1, 2, 3；以及Polycomb抑制复合体2（PRC2），它催化组蛋白H3赖氨酸27的三甲基化（H3K27me3）1, 2, 3, 5（图1a）。在哺乳动物中，每个亚基都有多个同源物，它们组合形成不同的复合体1, 2, 3, 6, 7。根据是否包含CBX蛋白或RYBP/YAF2，PRC1复合体大致分为经典型PRC1（cPRC1）和变异型PRC1（vPRC1）[6]。cPRC1围绕PCGF2/4形成，而vPRC1可以包含任何PCGF蛋白。vPRC1的催化活性比cPRC1更强6, 8, 9，而cPRC1被认为驱动称为Polycomb体的核聚集体的形成并介导更高阶的染色质相互作用10, 11, 12（图1b）。cPRC1介导的三维染色质结构包括远距离Polycomb染色质域之间的相互作用以及局部染色质压缩6, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20•, 21。这些Polycomb染色质域的建立和维持依赖于PRC1和PRC2复合体之间的相互作用：vPRC1通过直接与DNA相互作用结合到目标区域并沉积H2AK119ub 1, 2, 3；PRC2通过辅助亚单位结合到H2AK119ub，进而沉积H3K27me3。cPRC1随后通过其CBX亚单位结合H3K27me3 5, 22, 23, 24，或者通过不依赖H3K27me3的方式识别PRC2 25, 26•。

尽管vPRC1和PRC2介导的组蛋白修饰在Polycomb基因抑制中的重要性已经得到证实9, 27, 28, 29, 30, 31，但cPRC1介导的三维染色质相互作用的作用尚不明确。其他机制驱动的三维染色质相互作用也被提出作为转录调控的关键组成部分。可能的机制包括促进调控元件和基因之间的通信、建立边界以防止不适当的信息传递，以及通过压缩限制染色质的可及性以实现基因抑制32, 33。同样，也有研究表明Polycomb介导的三维染色质相互作用在Polycomb系统功能中起作用。几篇最近的综述详细讨论了PRC组分和生化功能1, 2, 3；在这篇综述中，我们重点关注Polycomb介导的三维染色质相互作用，讨论了挑战传统Polycomb抑制模型的最新研究，并提出了这些相互作用如何参与Polycomb系统功能的额外模型。

小节摘录

组织三维染色质相互作用的Polycomb亚基

在小鼠胚胎干细胞（mESCs）中，删除vPRC1会导致大量差异表达基因，而去除cPRC1对基因表达的影响较小[9]。尽管如此，cPRC1对正常发育至关重要[4]（表1）。此外，含有PCGF2的cPRC1在小鼠胚胎干细胞中非常丰富，表明其具有功能性重要性7, 34。多项研究表明cPRC1是三维染色质相互作用的介导者10, 11, 12，关键证据来自一项使用...

通过基因组学和成像观察到的Polycomb介导的相互作用

早期关于高等阶Polycomb介导的染色质相互作用的证据来自果蝇的研究。使用FISH（三维荧光原位杂交）对Hox基因簇进行成像显示，Polycomb结合位点之间的物理邻近性与基因抑制相关53, 54, 55。染色体构象捕获实验进一步表明，Hox基因簇形成了跨越超过10兆碱基（Mb）的接触网络，这依赖于polycomb蛋白（哺乳动物...）

三维染色质相互作用如何参与Polycomb系统功能的模型

许多研究提出了三维染色质相互作用可能参与Polycomb功能的方式。在本节中，我们讨论了四种潜在的、非互斥的模型（图3）。虽然这些模型没有被明确讨论为理论模型，但我们也要指出，这些染色质接触可能是由于cPRC1亚单位倾向于形成自相互作用而产生的，尽管它们可能没有实际的功能作用。

模型1：不可及性模型

最早提出的Polycomb介导的染色质相互作用参与基因抑制的机制是通过PcG结合的染色质压缩，阻止转录因子和染色质重塑因子接近基因启动子1, 37。这一模型得到了使用纯化的PcG蛋白和核小体阵列进行的体外实验的支持，这些实验表明cPRC1能够压缩核小体13, 41•, 44, 46, 47•。最近的一项研究表明，SWI/SNF（SWItch/sucrose非发酵）无法结合...

模型2：转录激活的预备

有人提出Polycomb靶基因之间的染色质相互作用可以为其在分化过程中的去抑制做好准备。在这个模型中，通过允许多个基因启动子同时被转录机制访问，基因可以被解除抑制。许多被Polycomb抑制的基因表现出H3K4甲基化，这种双价染色质状态被认为标志着这些基因在分化时处于激活状态[2]。研究发现Polycomb介导了...

模型3a：促进H3K27me3的扩散

另一种模型认为，三维染色质相互作用有助于H3K27me3组蛋白修饰的扩散，从而在全基因组范围内建立经典的Polycomb域（PRC1和PRC2占据的区域）21, 73。支持这一观点的研究发现，遗传删除Polycomb基因会改变局部和远端的H3K27me3模式[21]。使用Eed^{-/-mESCs（其中可以诱导EED重新表达以追踪H3K27me3域的从头形成）发现，H3K27me3修饰在特定位置形成...}

模型3b：增强vPRC1的抑制作用

染色质相互作用可能不是直接参与基因抑制，而是增强vPRC1介导的H2AK119ub沉积的准确性，这是mESCs中Polycomb基因抑制的主要机制9, 27, 28。由于该模型与前一个模型相似，后者也将Polycomb相互作用与其组蛋白修饰的扩散联系起来，我们将此模型称为模型3b。结合染色体追踪和聚合物建模，最近的研究发现Polycomb域通常...

结论性评论

Polycomb系统介导的三维染色质相互作用可以通过染色体构象捕获方法（Hi-C, Micro-C）和成像（FISH, 染色体追踪）观察到。然而，cPRC1如何形成这些相互作用及其生物学意义尚不清楚。PRC组成的异质性增加了在活细胞中解析参与这些相互作用的关键亚单位的难度。未来的研究需要调查PcG蛋白的丰度和PHC及CBX的化学计量比...

利益冲突声明

所有作者声明没有利益冲突。

致谢

我们感谢同事们，由于参考文献限制，我们无法引用所有相关论文。作者感谢Masahiro Nagano和Sarah Nemsick对手稿的反馈，以及Hansen实验室的讨论。S.K.获得了MIT博士后奖学金（工程卓越奖）和NIH（1F32GM156065）的支持。A.S.H.获得了NIH（DP2GM140938, R33CA257878, R01EB035127, UM1HG011536, R01CA300848, R03OD038390, R01HG014500）和NSF CAREER奖（