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上海巴斯德所等揭示长链非编码RNA调控HIV复制新

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上海巴斯德所等揭示长链非编码RNA调控HIV复制新

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清华李海涛教授Nature携手华人科学家发表表观遗传重要成果

2月21日,国际学术期刊《核酸研究》(Nucleic Acids Research)在线发表了中国科学院上海巴斯德研究所王建华课题组的研究论文“Long noncoding RNA MALAT1 releases epigenetic silencing of HIV-1 replication by displacing the polycomb repressive complex 2 from binding to the LTR promoter金沙官网手机版注册,”。该研究揭示长链非编码RNAMALAT1诱使抑制性PRC2(polycomb repressive complex 2)复合物从HIV启动子LTR解离从而促进HIV转录和复制。

甲基化是指从活性甲基化合物(如S-腺苷基甲硫氨酸)上将甲基催化转移到其他化合物的过程。可形成各种甲基化合物,或是对某些蛋白质或核酸等进行化学修饰形成甲基化产物。在生物系统内,甲基化是经酶催化的,这种甲基化涉及重金属修饰、基因表达的调控、蛋白质功能的调节以及核糖核酸加工。

PRMT5通过表观调控cccDNA转录及干扰pgRNA包装抑制乙肝病毒复制

来源:生物通 2014-3-4 何嫱

HIV高度依赖宿主因子完成复制周期,鉴定调节HIV复制的关键宿主因子可为抗病毒策略设计提供宿主新靶点。王建华研究组利用组学技术筛选了多种能够调控HIV复制的宿主蛋白,如宿主蛋白SUN2通过维持HIV-LTR启动子区域异染色质结构抑制HIV转录和复制(2018,mBio);SAFB1通过抑制RNA聚合酶II的磷酸化并抑制其与HIV LTR的结合,抑制HIV的转录,维持HIV潜伏(2018,J.Bio.Chem);而宿主蛋白Naf1则是通过抑制NF-kB 信号通路抑制HIV复制(2016,J Virol)。

甲基化包括DNA甲基化或蛋白质甲基化

日前,复旦大学基础医学院教育部/卫计委医学分子病毒学重点实验室袁正宏课题组联合上海市公共卫生临床中心科研人员发表了关于乙肝病毒的最新研究成果。2月27日,相关研究以《PRMT5通过表观调控cccDNA转录及干扰pgRNA包装抑制乙肝病毒复制》(“PRMT5 Restricts Hepatitis B Virus Replication via Epigenetic Repression of cccDNA Transcription and Interference with pgRNA Encapsidation”)为题,在线发表于肝病学领域国际学术期刊《肝脏病学》(Hepatology)。该研究首次揭示了宿主蛋白质精氨酸甲基转移酶5(PRMT5)在限制乙型肝炎病毒(HBV)转录及复制中的作用及机理,并发现病毒cccDNA微小染色体组蛋白4精氨酸3(H4R3)的对称双甲基化修饰与cccDNA的转录抑制密切相关。

  来自德克萨斯大学MD安德森癌症中心、清华大学生命科学学院的研究人员在新研究中证实了,ZMYND11是组蛋白变异体H3.3特异性的H3K36me3“阅读器”蛋白,其将组蛋白变体介导的转录延伸控制与肿瘤抑制关联起来。这一重要研究发现在线发表在3月2日的《自然》杂志上。

近年来,长链非编码RNA在表观遗传调控、免疫调节和细胞分化调控等方面的重要作用引起广泛关注。在调节HIV感染方面,通过靶向不同的细胞蛋白机器或信号通路,LncRNA可抑制或促进HIV复制。

1)DNA甲基化。脊椎动物的DNA甲基化一般发生在CpG位点(胞嘧啶-磷酸-鸟嘌呤位点,即DNA序列中胞嘧啶后紧连鸟嘌呤的位点)。

乙肝病毒是一种可造成慢性乙肝的严重危害人类健康的病原体。近年来虽然随着乙肝疫苗接种的推行乙肝新发病例大幅降低,但据统计全球仍有约2.4亿乙肝病毒慢性感染者(其中我国逾0.9亿),每年死于乙肝病毒感染所致肝衰竭、肝硬化和原发性肝细胞癌的约有65万人。由于尚缺乏有效的治愈手段,大量慢性感染患者需长期乃至终身抗病毒治疗,给个人家庭和社会带来了沉重的经济负担。目前认为,慢性乙型肝炎难以治愈的根本原因之一在于乙肝病毒在感染肝细胞后会形成共价闭合环状DNA(cccDNA),而cccDNA在肝细胞核利用宿主蛋白所形成的微小染色体结构高度稳定,是病毒持续转录复制及停药后复发的源头。因此,深入阐明cccDNA转录及调控机制将有助于加深对乙肝病毒复制机制的认识及推进新型干预策略的研发。

  清华大学生命科学学院的李海涛教授、德克萨斯大学MD安德森癌症中心的Xiaobing Shi博士、Hong Wen博士以及Baylor医学院的李蔚博士是这篇论文的共同通讯作者。

LncRNA MALAT1在肿瘤细胞中高表达,常被认为是肿瘤转移的标记物。MALAT1主要定位于细胞核核斑(Nuclear speckles)区,可参与基因转录和pre-mRNAs的选择性剪接等细胞生理过程。王建华课题组联合武汉大学教授侯炜利用RNA-seq技术筛选出MALAT1在HIV感染细胞中高表达;高表达的MALAT1可促进HIV复制,CRISPR/Cas9敲除MALAT1可显著抑制HIV-LTR驱动的转录;机制上,MALAT1与PRC2抑制复合体中的组蛋白赖氨酸N-甲基转移酶EZH2(enhancer of zeste homolog 2)结合,使其从HIV-LTR上解离,减弱EZH2对HIV-LTR区核小体组蛋白的H3K27me3表观遗传学修饰,使HIV-LTR维持在活跃状态,促进HIV转录;此外,与北京协和医院教授李太生合作,发现抗逆转录病毒药物治疗可显著降低HIV感染者外周血PBMC中MALAT1的表达,验证MALAT1表达与HIV复制的正相关性。该研究揭示LncRNA MALAT1调控HIV复制的重要作用和分子机制,为抗病毒策略设计提供了宿主新靶点。

经DNA甲基转移酶催化胞嘧啶转化为5-甲基胞嘧啶。人类基因中约80%-90%的CpG位点已被甲基化,但是在某些特定区域,如富含胞嘧啶和鸟嘌呤的CpG岛则未被甲基化。这与包含所有广泛表达基因在内的56%的哺乳动物基因中的启动子有关。1%-2%的人类基因组是CpG群,并且CpG甲基化与转录活性成反比。

袁正宏课题组通过筛选一系列已知的宿主甲基转移酶及去甲基化酶,鉴定到PRMT5蛋白具有显著抑制cccDNA微小染色体转录活性的功能。课题组进一步研究发现PRMT5可在病毒核心蛋白(HBc)的辅助下相对特异地结合至cccDNA微小染色体,并在BrgI相关hSWI/SNF染色质重塑子的参与下介导cccDNA上H4R3的对称双甲基化修饰(H4R3me2s),由此导致cccDNA上RNA聚合酶Pol II结合的减少进而转录受抑制。利用染色质免疫沉淀(ChIP)的方法,研究人员进一步在HBV感染细胞模型及慢性乙肝患者肝穿标本中确认了cccDNA上H4R3me2s的含量与cccDNA转录活性呈显著负相关。

  组蛋白修饰是发生在染色体组成成分--组蛋白上的修饰,主要有甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化,ADP-核糖基化等修饰方式。其中,组蛋白甲基化修饰比较复杂,可以发生在赖氨酸或是精氨酸上,而且每个修饰位点可以有不同的甲基化修饰状态。根据修饰位点以及修饰状态的不同,甲基化修饰可以激活或抑制基因转录,从而参与正常生理如个体发育、胚胎干细胞定向分化等过程,同时也参与病理如癌症的形成和发展。

曲迪和孙玮玮为论文并列第一作者,王建华、侯炜和李太生为并列通讯作者。上海巴斯德所研究员金侠为该研究提出了建议;该研究得到国家基金委、中科院及科技部艾滋病和病毒性肝炎重大传染病防治专项等的资助。

2)蛋白质甲基化。蛋白质甲基化一般指精氨酸或赖氨酸在蛋白质序列中的甲基化。精氨酸可以被甲基化一次或两次(精氨酸甲基转移酶将两个甲基同时转移到精氨酸多肽末端的同一个氮原子上成为非对称性甲基精氨酸,或者在每个氮端各加一个甲基成为对称性二甲基精氨酸)赖氨酸经赖氨酸转移酶的催化可以甲基化一次、两次或三次。

令人意外的是,PRMT5除可在细胞核中发挥抑制cccDNA转录的作用外,细胞浆定位的PRMT5还可以甲基转移酶活性非依赖的方式与病毒聚合酶蛋白的逆转录酶及RNA酶H结构域结合,从而干扰病毒聚合酶参与的病毒前基因组RNA的包装及导致病毒核心颗粒DNA的产生减少,进而抑制病毒复制及可能影响cccDNA的回补。上述研究首次揭示了在乙肝病毒自然感染状态下cccDNA微小染色体转录受其组蛋白甲基化调控,其与宿主蛋白质精氨酸甲基转移酶PRMT5对组蛋白H4R3me2s表观修饰相关,同时发现PRMT5兼具抑制病毒DNA产生的效应。这加深了对cccDNA微小染色体表观调控及宿主限制病毒复制的认识,为cccDNA活性监测及新型抗病毒手段的开发提供了潜在靶点和理论基础。

  H3K36me3是在RNA聚合酶II延伸之后定位在转录区域核小体上的一种组蛋白甲基化修饰。在酵母中H3K36me3可招募一些表观遗传调控因子将染色质重新设置为一种相对的抑制状态,由此抑制转录。但目前对于H3K36me3在哺乳动物转录调控中的作用还知之甚少。哺乳动物组蛋白H3.3是经典H3.1的变异体,其能够代替H3.1与转录活化的染色质结合,在生殖细胞的发育、表观遗传记忆和染色质重塑等方面发挥重要的作用,这使得转录调控进一步的复杂化。

文章链接

在组蛋白中,蛋白质甲基化是被研究最多的一类。在组蛋白转移酶的催化下,S-腺苷甲硫氨酸的甲基转移到组蛋白。某些组蛋白残基通过甲基化可以抑制或激活基因表达,从而形成为表观遗传。蛋白质甲基化是翻译后修饰的一种形式。

该研究由国家“十二五”科技重大专项及中德跨区域重大合作项目资助。袁正宏研究员为论文的通讯作者,基础医学院2016届博士生张雯与陈捷亮青年副研究员为共同第一作者,德国慕尼黑工业大学病毒学研究所Ulrike Protzer教授及法国里昂癌症研究中心Massimo Levrero教授等为论文的共同作者。研究过程中得到了复旦大学附属公共卫生临床中心张占卿、华山医院张继明及中山医院周俭主任的大力支持。

  近年来的研究确定了一些介导组蛋白修饰的主要蛋白家族。将共价附着乙酰或甲基化蛋白质产生的蛋白质称作为“写入器”。识别和结合组蛋白修饰的蛋白称作为“阅读器”,去除组蛋白标识的酶则被称作“擦除器”。

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DNA甲基化主要是通过DNA甲基转移酶家族来催化完成的。研究人员在真核生物中发现了3类DNA甲基转移酶(Dnmt1、Dnmt2、Dnmt3aDnmt3b).Dnmt1一种是维持性甲基化酶;Dnmt2可与DNA上特异位点结合,但具体作用尚不清楚;Dnmt3a和Dnmt3b是重新甲基化酶,它们使去甲基化的CpG位点重新甲基化,即参与DNA的从头甲基化。

论文链接:

  在这篇新文章中,研究人员证实候选肿瘤抑制因子ZMYND11特异性的识别了H3.3上的H3K36me3,并调控了RNA聚合酶II延伸。结构研究表明,除通过PWWP结构域中的芳香族笼结合三甲基赖氨酸,ZMYND11还通过将H3.3特异性的‘Ser 31’残基包裹在串联bromo–PWWP结构域形成的一个复合口袋中介导了H3.3识别。在测序后采用染色质免疫共沉淀方法,研究人员发现ZMYND11与H3K36me3 及H3.3在全基因组范围内共定位于基因体中。

图示:MALAT1调节HIV复制的分子机制。MALAT1诱使抑制性的PRC2复合物从HIV启动子LTR解离,通过减弱EZH2对HIV-LTR区核小体组蛋白的H3K27me3表观遗传学修饰,促进HIV转录和复制。

在哺乳动物的生殖细胞发育时期和植入前胚胎期,其基因组范围内的甲基化模式通过大规模的去甲基化和接下来的再甲基化过程发生重编程,从而产生具有发育潜能的细胞;在细胞分化的过程中,基因的甲基化状态将遗传给后代细胞。由于DNA甲基化与人类发育和肿瘤疾病的密切关系,特别是CpG岛甲基化所致抑癌基因转录失活问题,DNA甲基化已经成为表观遗传学和表观基因组学的重要研究内容。

  研究人员发现,尽管ZMYND11与高水平表达的基因相关,它却是通过在延伸位点调节RNA聚合酶II发挥非传统的转录辅抑制子功能。ZMYND11在抑制作为肿瘤细胞生长必要条件的转录程序中起至关重要的作用。在乳腺癌患者中ZMYND11低表达水平与预后不良相关联。与之相一致,ZMYND11过表达可抑制体外癌细胞生长和小鼠体内的肿瘤形成。

组蛋白甲基化是指发生在H3和H4组蛋白N端Arg或Lys残基上的甲基化,由组蛋白甲基转移酶介导催化。组蛋白甲基化的功能主要体现在异染色质形成、基因印记、X染色体失活和转录调控方面。除了存在组蛋白甲基转移酶以外,还发现了去甲基化酶。先前人们认为组蛋白的甲基化作用是稳定而不可逆的,使这种去甲基化酶的发现使组蛋白甲基化过程更具动态性。

  新研究确定了ZMYND11是一种H3.3特异性的H3K36me3阅读器,这是第一个发现的变异体特异性的甲基化组蛋白阅读器蛋白。研究结果表明,H3K36me3结合H3.3建立了一种独特的表观遗传状态,其定义了ZMYND11的基因组分布,提供了对正常和肿瘤生长的一种时空基因表达调控。由于H3K36me3和H3.3随延伸RNA聚合酶II一起定位于染色质,有可能在一轮或数轮转录后当足够的H3.3K36me3累积之时ZMYND11被招募到基因体。研究人员认为ZMYND11并非是一个on/off开关,其主要通过调节RNA聚合酶II延伸“微调”了基因表达。此外,新研究结果也突显了组蛋白变异体H3.3在肿瘤抑制中的重要性。

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