DOT1L通过染色质环境依赖性机制调控雄性生殖细胞基因表达：H3K79me2在减数分裂后X染色体再激活中的关键作用

本研究解析了组蛋白甲基转移酶DOT1L在小鼠精子发生过程中对基因表达的双向调控机制，发现DOT1L通过H3K79me2修饰在常染色体抑制（H3K27me3富集区）和X染色体激活（H3K27ac富集区）中发挥相反作用，揭示了其在减数分裂后性染色体再激活和精子分化中的关键角色，为生殖细胞表观遗传调控提供了新见解。

　　

论文解读

在生命科学领域，精子发生过程中基因表达的精确调控一直是未解之谜。雄性生殖细胞经历从有丝分裂到减数分裂再到精子形成的复杂分化过程，伴随着剧烈的染色质重塑。其中，组蛋白H3第79位赖氨酸的二甲基化（H3K79me2）由甲基转移酶DOT1L催化，在多种发育过程中起关键作用，但其在精子发生中的分子机制尚不明确。此前研究认为DOT1L主要作为转录激活因子，但近年发现其缺失会导致基因异常激活而非抑制，这种矛盾功能背后的染色质环境依赖性机制亟待阐明。

巴黎西岱大学等机构的研究团队通过整合表观基因组学和RNA-seq数据，系统研究了DOT1L在小鼠精子发生中的调控网络。研究发现DOT1L具有染色质环境依赖的双重功能：在常染色体上抑制H3K27me3富集区的基因表达，同时在减数分裂后特异性激活X染色体上H3K27ac富集区的基因。这一发现发表于《Communications Biology》，为理解生殖细胞表观遗传编程提供了新范式。

研究采用多组学技术：通过ChIP-seq绘制了四个精子发生阶段（精原干细胞GSC、初级精母细胞SCI、圆形精子细胞RS和伸长精子细胞ES）的H3K79me2动态图谱；利用添加外参ERCC的RNA-seq精准量化Dot1l条件敲除模型各阶段转录组变化；结合CUT&Tag技术定量分析H3K27ac和H3K27me3修饰；并采用ChromHMM整合六种组蛋白标记（H3K4me1/3、H3K27ac/me3、H3K36me3、H3K9me3）定义染色质状态。

H3K79me2动态与雄性生殖细胞分化程序相关
研究发现H3K79me2峰值数量随精子发生进程显著增加，减数分裂后（RS阶段）新增峰值占比达48%，且特异性富集于精子形成相关基因（如纤毛组装通路）。该修饰在基因启动子区（TSS±1.5 kb）强度最高，与基因表达水平呈正相关。值得注意的是，15%的远端 intergenic区域在RS阶段获得H3K79me2，这些区域与增强子活性密切相关。

DOT1L通过H3K27me3依赖性机制抑制基因表达
通过spike-in RNA-seq发现，Dot1l缺失导致各阶段基因异常激活而非抑制，且上调基因多位于H3K27me3富集/H3K27ac缺失的染色质环境。定量CUT&Tag证实，这些基因在野生型RS中呈现高H3K27me3/low H3K27ac特征，敲除后H3K27me3下降伴随H3K27ac轻微上升。研究还发现DOT1L通过下调转录抑制因子（如BCORL1和ZKSCAN17）间接调控基因表达。

DOT1L通过H3K79me2依赖性机制激活X染色体基因
在减数分裂后，X染色体基因的再激活与H3K79me2的24倍富集显著相关。47%的下调基因位于X染色体，且多与减数分裂黏连蛋白（REC8/RAD21L）共定位。ChIP-qPCR显示Dot1l敲除导致X基因（如Ube2a、Hdac8）和Y基因Zfy1的H3K79me2丢失。值得注意的是，Y染色体多拷贝基因Sly在敲除后异常激活，可能通过抑制其他性染色体基因产生级联效应。

这项研究揭示了DOT1L在精子发生中的双重调控机制：在常染色体上通过维持H3K27me3抑制分化相关基因，同时在性染色体上通过建立H3K79me2促进减数分裂后基因再激活。该发现不仅解释了表观遗传标记如何响应局部染色质环境发挥相反功能，还为男性不育症提供了潜在治疗靶点。特别值得注意的是，H3K79me2被鉴定为性染色体再激活的最动态标记，其水平变化远超其他活性标记（如H3K27ac），这为理解哺乳动物生殖细胞特异的表观遗传重编程提供了新视角。