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为解决 CHAMP1 复合物在异染色质区域功能未知等问题，哈佛医学院等机构研究人员探究其与异染色质组装及 DNA 修复的关系。结果发现该复合物促进异染色质组装和同源定向修复。推荐阅读，助你了解前沿科研进展。
在神秘的细胞世界里，DNA 就像一本珍贵的生命密码书，记录着生物体的所有遗传信息。然而，这本 “书” 偶尔会出现破损，也就是 DNA 损伤。其中，DNA 双链断裂（DSBs）是一种极为严重的损伤形式，它可能源于细胞内部的 DNA 复制错误，也可能是外界的 DNA 损伤剂在捣乱。如果这些损伤得不到及时、准确的修复，细胞就会陷入混乱，甚至引发各种疾病，比如癌症。
在修复 DSBs 的众多机制中，同源定向修复（HDR，包括经典的同源重组（HR）和断裂诱导复制（BIR））起着关键作用。但细胞中的染色体有些区域结构特殊，比如异染色质区域（像着丝粒和端粒这些高度紧凑的结构），对 HDR 介导的 DSB 修复来说是个巨大的障碍 。细胞必须要有独特的机制，才能在这些特殊区域完成 HDR 修复。而异染色质区域的特征之一，就是组蛋白 H3 赖氨酸 9 位点的三甲基化（H3K9me3）水平较高，这种修饰和异染色质的聚集以及功能密切相关，并且和 HDR 修复过程也存在着千丝万缕的联系。
还有一些特殊的异染色质结构，比如在大约 10 - 15% 的癌症中，肿瘤细胞会采用一种不依赖端粒酶的机制 —— 端粒延长替代途径（ALT 途径）。在这条途径里，端粒的延长依赖于 HDR，通过类似 BIR 的机制，以模板驱动端粒延长。ALT 肿瘤细胞有着高水平的 H3K9me3 和特殊的异染色质微环境，这有利于 DNA 合成和端粒扩展。但 CHAMP1 复合物在 ALT 端粒维持或 ALT 端粒 DSB 修复中究竟扮演着怎样的角色，一直是个未解之谜。
之前有研究发现了一种名为 CHAMP1/POGZ/HP1α 的异染色质复合物，它能和 H3K9me3 结合。CHAMP1（染色体排列维持磷蛋白 1）是一种高度保守的锌指蛋白，在有丝分裂中调控染色体的分离，确保染色体能正确地排列在中期板上；POGZ（含锌指结构域的 POGO 转座元件）也是锌指蛋白，参与有丝分裂细胞周期进程和动粒组装；HP1α 是 “枢纽蛋白” HP1 家族的一员，能和多个染色体蛋白相互作用，还能通过其染色质结构域（CD）与 H3K9me3 结合。可这个复合物是否能调节异染色质组装，或者在染色体的浓缩区域介导 HDR，还是未知数。
另外，人类如果 CHAMP1 基因出现新生杂合突变，就会患上 CHAMP1 综合征，这是一种神经发育障碍疾病，患者会有智力残疾、行为症状以及明显的畸形特征。而 POGZ 基因的新生杂合突变也会导致一种罕见但和 CHAMP1 综合征高度相关的神经发育综合征 ——White Sutton 综合征（WSS）。但这些遗传突变是不是因为异染色质组装缺陷或异染色质中的 HDR 缺陷导致的，还不清楚。
近期的一些研究虽然揭示了 CHAMP1 和 POGZ 促进 HR 的一种机制，但这种增强 HR 修复的机制是只发生在常染色质区域，还是在异染色质区域也能发挥作用，并不明确。
为了解开这些谜团，来自美国哈佛医学院丹娜法伯癌症研究院放射与基因组稳定性分部等机构的研究人员，在《Nature Communications》期刊上发表了一篇名为 “CHAMP1 complex directs heterochromatin assembly and promotes homology-directed DNA repair” 的论文。他们发现，CHAMP1/POGZ/HP1α 异染色质复合物在异染色质聚集和 HDR 修复中有着直接作用，它能促进 H3K9me3 的沉积和异染色质的聚集，还能招募 HDR 蛋白到异染色质位点的 DSB 处。这一发现不仅让我们对细胞的 DNA 修复机制有了更深入的理解，还为相关疾病的研究和治疗提供了新的方向。
研究人员为了开展这项研究，用到了多种技术方法。比如，利用 AlphaFold2/3 - Multimer（AF）进行蛋白质 - 蛋白质相互作用的计算机模拟建模，预测蛋白质之间的相互作用和结构；通过免疫沉淀（IP）实验，研究蛋白质之间的结合情况；采用免疫荧光（IF）和免疫荧光原位杂交（IF - FISH）技术，观察蛋白质在细胞内的定位和共定位情况；运用染色质免疫沉淀（ChIP）和定量聚合酶链反应（qPCR）技术，分析特定蛋白在特定基因组区域的富集情况。
下面我们来详细看看研究结果：
异染色质 CHAMP1 - POGZ - HP1α 复合物的计算机模拟蛋白质 - 蛋白质相互作用建模
研究人员用 AlphaFold2/3 - Multimer 进行蛋白质 - 蛋白质相互作用建模，预测出 CHAMP1 的 N 端锌指结构域（1 - 87 aa）和 POGZ 的结构化 C 端（1021 - 1410 aa）之间存在高可信度的相互作用。通过对多个突变蛋白的下拉实验，进一步明确了 CHAMP1、POGZ、HP1α 以及 H3K9me3 之间的相互作用关系。而且，研究发现 REV7 对 CHAMP1/POGZ/HP1α 异染色质复合物的形成并非必需，这表明 CHAMP1 复合物在异染色质中可能通过不依赖 REV7 的途径发挥作用。
CHAMP1 复合物促进多个基因组区域的异染色质聚集
通过免疫荧光实验，研究人员发现 CHAMP1 和 POGZ 与 H3K9me3（异染色质的标记物）在人类 U2OS 细胞和小鼠 NIH - 3T3 细胞中存在很强的共定位现象，并且在电离辐射（IR）诱导 DSB 后，这种共定位会进一步增强。CRISPR 敲除 U2OS 细胞中的 CHAMP1 或 POGZ 后，H3K9me3 和 HP1α 的聚集明显减少，但这并不会影响 H3K9me3 和 HP1α 的整体表达水平或染色质结合情况。在 ALT U2OS 细胞中，CHAMP1 和 POGZ 与端粒焦点有很强的共定位，尤其是大的端粒焦点。敲除 CHAMP1 或 POGZ 会显著削弱损伤诱导的端粒聚集和 ALT 活性，这说明 CHAMP1 复合物在促进损伤诱导的端粒聚集和维持 ALT 活性方面起着关键作用。
CHAMP1 复合物促进 ALT 端粒的 HDR
研究人员利用 PICh 方法，发现敲除 CHAMP1 会导致其他 CHAMP1 复合物蛋白（如 POGZ 和 HP1α）以及许多与 HR 和 BIR 相关的蛋白在端粒处的减少。免疫荧光实验也证实了敲除 CHAMP1 后，端粒处 CHAMP1 复合物和 H3K9me3 的减少。这些结果表明，CHAMP1 复合物可能通过在端粒处聚集异染色质来促进 HDR。
CHAMP1 复合物结合并招募 SETDB1 到端粒异染色质簇
研究发现，在 U2OS 细胞中，TRF1 - FokI 诱导后，只有 SETDB1（一种 H3K9 甲基转移酶）会被招募到端粒，而敲除 CHAMP1 或 POGZ 后，这种招募现象消失。免疫荧光实验也验证了这一结果。通过预测和实验，研究人员认为 CHAMP1 复合物可能通过 POGZ 招募 SETDB1 到端粒，而且 SETDB1 对维持端粒异染色质簇很重要，它的缺失会导致端粒处 H3K9me3 焦点减少，损伤诱导的端粒聚集和 APBs 减少。
CHAMP1 和 HP1α 在调节异染色质聚集中是上位性的
HP1α 是 CHAMP1 异染色质复合物的关键亚基，敲低 HP1α 会显著减少损伤诱导的端粒聚集和 APBs 形成。在 CHAMP1 敲除的 U2OS 细胞中，再敲低 HP1α 并不会进一步降低端粒聚集和 APBs 形成，这表明 CHAMP1 和 HP1α 在 APB 形成和端粒聚集中是上位性的。只有野生型 HP1α 蛋白才能恢复敲低 HP1α 细胞中的端粒聚集和 APBs，而 CHAMP1 的一些突变体则无法恢复端粒处的 RAD51 焦点或端粒聚集，这突出了多亚基 CHAMP1 异染色质复合物在端粒 HR 和聚集中的重要性。
CHAMP1 综合征患者表现出异染色质聚集受损和 HR 修复缺陷
研究人员对 CHAMP1 综合征患者来源的 EBV 永生化淋巴母细胞系进行研究，发现这些细胞中 H3K9me3 焦点减少，说明异染色质聚集存在缺陷。而且，这些细胞在 IR 处理后，RAD51 焦点组装也有缺陷，对 IR 和 PARP 抑制剂更敏感，这表明 CHAMP1 综合征患者的外周血淋巴细胞存在异染色质聚集缺陷和 HR 缺陷，这为 CHAMP1 综合征的功能诊断提供了一种可能的检测方法。
CHAMP1 异染色质复合物在端粒 HR 修复中具有特定作用
研究表明，CHAMP1 和 REV7 的相互作用对端粒 HR 和聚集功能似乎不是必需的。敲低 REV7 在 CHAMP1 野生型和敲低细胞中，会使端粒异染色质区域的 HR 略有增加，但敲除 CHAMP1 仍会显著降低 HR 活性，这说明不依赖 REV7 的 CHAMP1 复合物在异染色质 HR 修复中起着重要作用，整个 CHAMP1 复合物在异染色质 HR 修复中都发挥着作用。
综合这些研究结果，研究人员得出结论：CHAMP1 异染色质复合物（由 CHAMP1、POGZ 和 HP1α 组成）在异染色质组装和同源定向 DNA 修复中有着直接作用。它能结合异染色质位点的 H3K9me3，促进这些位点的 H3K9 三甲基化，还能招募 HDR 蛋白到异染色质区域，对 ALT 端粒的维持和 HDR 修复至关重要。而且，CHAMP1 综合征患者细胞中观察到的异染色质聚集和 HR 修复缺陷，可能是该综合征神经发育缺陷的潜在原因。
这项研究有着重要的意义。它揭示了 CHAMP1 异染色质复合物在异染色质相关过程中的关键作用，为理解细胞如何维持基因组稳定性提供了新的视角。同时，研究结果也为 CHAMP1 综合征等相关疾病的诊断和治疗提供了潜在的靶点和理论依据，有望推动相关领域的进一步发展。未来，研究人员还可以深入探索 CHAMP1 复合物在其他异染色质位点（如着丝粒和 DNA 复制叉）的作用，以及它与其他细胞过程的关系，从而更全面地了解细胞的生命活动奥秘。
