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为解决异染色质形成和维持机制不明的问题，研究人员开展 RNA 和内在无序蛋白（IDP）在异染色质组装中作用的研究。结果发现二者通过多种机制影响异染色质，LLPS 参与其形成。这有助于理解基因组调控及相关疾病机制。
在微观的细胞世界里，染色体就像一座精密的 “城市”，而其中的异染色质则扮演着至关重要的角色。自 1928 年异染色质被发现以来，它一直吸引着科研人员的目光。异染色质是真核细胞细胞核中高度浓缩的染色质结构，如同城市中秩序井然的特定区域，它能抑制不必要的基因表达，构建像着丝粒和端粒这样的功能性染色体结构。然而，这座 “城市” 中异染色质形成和维持的 “密码”，在长达近百年的时间里，始终迷雾重重。尽管 30 年前就发现了其主要因子异染色质蛋白 1（HP1），但其中的分子机制依旧扑朔迷离。为了揭开这些谜团，探索异染色质在基因组组织和稳定性中的作用，以及它在发育和疾病中的意义，研究人员踏上了探索之旅。此次研究成果发表在《Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects》上。
研究人员主要运用了 Hi - C 染色体相互作用图谱、免疫荧光染色、冷冻电镜等技术方法。通过 Hi - C 技术，研究人员得以洞察异染色质的高阶组织形式；免疫荧光染色帮助观察特定蛋白和染色质修饰在细胞中的定位；冷冻电镜则助力解析蛋白与染色质结合的结构。
1. 异染色质的分子特征：组蛋白和 DNA 修饰
异染色质分为组成型和兼性异染色质。组成型异染色质在细胞类型和发育阶段中保持高度浓缩，主要位于着丝粒和端粒区域，其特征性标记为组蛋白 H3 赖氨酸 9 三甲基化（H3K9me3），该修饰可被 HP1 识别，进而促进染色质压实，维持基因组完整性。兼性异染色质则较为动态可逆，会根据发育或环境信号变化。比如雌性哺乳动物中失活的 X 染色体，即巴氏小体，是由长非编码 RNA Xist 介导形成的，伴随 H3K27me3修饰，PRC2 催化该修饰，PRC1 则进一步稳定这种抑制状态。除了组蛋白修饰，DNA 胞嘧啶甲基化也是植物和哺乳动物细胞异染色质的重要标记，不同生物中异染色质形成机制存在差异，如芽殖酵母依赖组蛋白去乙酰化和沉默信息调节蛋白（SIR），而缺乏 H3K9 甲基化系统、HP1 和 RNA 沉默因子。
2. 异染色质蛋白 1（HP1）
HP1 是进化上保守的蛋白，在异染色质结构形成和维持中起核心作用。它包含 N 端的色域（CD）、C 端的色影域（CSD），二者通过无二级结构的铰链区相连。CD 能特异性结合 H3K9me3，这种结合受上游酸性和磷酸化丝氨酸残基调控。HP1 还能通过 CSD 形成二聚体，与多种染色质相关因子相互作用。虽然其与 H3K9me3修饰核小体结合形成高阶染色质结构的机制尚未完全明晰，但冷冻电镜研究证实 HP1 二聚体可交联核小体且不干扰连接 DNA 相关染色质调节因子的结合。此外，HP1 在哺乳动物中有多种亚型，功能各异，HP1α 和 HP1β 主要与组成型异染色质相关，HP1γ 则与常染色质区域有更多互动。而且，HP1 还参与 DNA 修复、复制等多种过程，其功能具有环境依赖性。近期研究还发现，HP1α 在体外可形成 LLPS 液滴，这或许能解释其在细胞中组织高阶染色质结构和功能的作用。
3. Polycomb 抑制复合物（PRCs）
PRCs 是基因沉默和异染色质形成的关键调节因子，尤其是在发育调控区域。其包含 PRC1 和 PRC2 两种主要复合物。PRC2 主要负责催化 H3K27me3沉积，沉默靶基因，它由 EZH2（或 EZH1）、EED、SUZ12 和 RBBP4/7 等核心成分组成，通过与 DNA 结合蛋白、非编码 RNA 和已有染色质修饰相互作用，被招募到特定染色质区域。PRC1 则在 H3K27me3建立后，强化沉默状态，它有经典（cPRC1）和非经典（ncPRC1）两种形式，cPRC1 中的 CBX 蛋白可识别 H3K27me3，Ring1A/B 具有 E3 泛素连接酶活性，催化组蛋白 H2AK119 单泛素化（H2AK119ub1）。CBX 蛋白结构与 HP1 类似，含有 CD 和中间的 IDR，CBX2 在体外具有 LLPS 活性，参与染色质组织。PRC1 和 PRC2 协同作用，维持基因的长期抑制。
4. 异染色质中的 RNA
RNA 在异染色质的建立和维持中发挥着关键作用。在裂殖酵母中，RNA 干扰（RNAi）途径的相关因子，如 Ago1、Dcr1 和 Rdp1，对由 H3K9me2和 HP1（Swi6）形成的异染色质结构维持至关重要。Ago1 形成 RNA 诱导转录沉默（RITS）复合物，与靶异染色质结合，招募 RNA 依赖的 RNA 聚合酶复合物（RDRC），将新生 RNA 转化为双链 RNA，再经 Dcr1 加工成小 RNA，形成自我强化的循环。果蝇和小鼠的生殖系中，Piwi 蛋白和 Piwi 相互作用 RNA（piRNAs）可抑制转座子转录，参与异染色质标记的建立和维持。在植物中，如拟南芥，小 RNA 通过特定的 RNA 聚合酶途径抑制转座子，形成抑制性染色质结构。此外，长非编码 RNA（lncRNAs）也参与异染色质调控，如 Xist lncRNA 介导 X 染色体失活，招募多种因子建立和维持沉默状态及高阶染色质结构。
5. 异染色质化导致的动态染色质组织
基因组范围内的组蛋白修饰分析表明，H3K9me3标记的异染色质区域在细胞分化过程中形成，且与细胞核的结构变化相关。在分化细胞中，异染色质通常与核膜或核仁相关，如在夜间活动动物的视杆细胞中，异染色质积累在核内以增强光穿透；在衰老细胞中，层粘连蛋白 B1 参与形成衰老相关异染色质聚集体（SAHFs）；在雌性哺乳动物中，失活的 X 染色体（巴氏小体）紧密结合核膜或核仁周边，维持转录抑制状态。异染色质还与细胞应激反应有关，如裂殖酵母在咖啡因环境下，基因区域周围会形成异染色质；哺乳动物上皮组织细胞在机械应力下，异染色质会松弛。此外，异染色质可抑制长末端重复（LTR）逆转录元件和非 LTR 逆转录元件，如人类 KRAB 锌指蛋白（KRAB - ZFPs）可识别 ERV 序列，招募相关蛋白沉积 H3K9me3，抑制其转录；人类沉默枢纽（HUSH）复合物可靶向并抑制 HIV - 1、年轻 ERVs 和 LINE 元件。
6. H3K9me3和 H3K27me3介导的异染色质功能冗余
组成型异染色质由 H3K9me3定义，在染色体功能中起关键作用，但敲除小鼠胚胎干细胞中的 Suv39h1 和 Suv39h2 会导致 H3K9me3缺失，H3K27me3取而代之。H3K9me3在细胞分化过程中动态变化，参与基因调控，类似于依赖 H3K27me3的兼性异染色质。在小鼠胚胎干细胞中，H3K9me3修饰调控多能性相关基因，影响诱导多能干细胞（iPS）的产生效率。同时，非经典印记机制表明，H3K27me3标记的兼性异染色质可在不依赖 DNA 甲基化的情况下，对印记基因进行亚稳定抑制。这些发现凸显了 H3K9me3和 H3K27me3在表观遗传调控中既有区别又有重叠的作用。
7. 异染色质的祖先和现代标记
传统观点认为 H3K9me3是组成型异染色质的祖先修饰，而 H3K27me3和 PRC2 介导的调控是多细胞生物进化中获得的用于复杂基因表达调控的机制。然而，研究发现纤毛虫在体细胞发育过程中，H3K9me3和 H3K27me3都由 PRC2 样复合物催化；苔藓植物地钱缺乏 H3K9me3，转座子由其他修饰标记；担子菌酵母利用多种机制形成异染色质，且在一些生物中，H3K9me2/3缺失时，PRC2 介导的 H3K27me3会起到补偿作用。这表明 PRC2 和 H3K27me3可能是祖先用于抑制转座子的机制，而 Suv39h 家族酶和 H3K9me3或许是较新的组成型异染色质系统。
8. LLPS 和内在无序蛋白（IDPs）在异染色质中的作用
LLPS 可能参与异染色质形成，具有内在无序区域（IDR）的蛋白在其中发挥核心作用。HP1 的无序区域使其在体外可形成液滴，细胞内 HP1 的动态运动与 LLPS 模型相符，且不同 HP1 亚型的 LLPS 能力不同，影响其在染色质中的功能。RNA 也参与异染色质的 LLPS，如主要卫星 RNA 增强 SAF - B 的 LLPS 活性，促进染色中心形成。CBX2 的 LLPS 特性使其能形成富含 PRC1 成分的核区室，隔离沉默区域与转录活性区域。Xi（巴氏小体）的形成和维持依赖 Xist RNA 与多种含 IDR 蛋白形成的凝聚物，这些蛋白通过 LLPS 促进巴氏小体独特核结构的形成。MeCP2 可结合甲基化 DNA，其体外 LLPS 活性依赖于甲基化 DNA，能形成排斥转录因子的染色质区域，其功能异常会导致 Rett 综合征。
研究结论表明，RNA、IDP 和 LLPS 在异染色质的形成、维持和功能发挥中起着至关重要的作用。这些发现为理解异染色质的分子机制提供了新视角，揭示了其在基因调控、基因组稳定性维持以及细胞分化和发育过程中的重要作用。同时，也为研究相关疾病的发病机制提供了理论基础，为开发潜在的治疗策略指明了方向。未来，进一步整合分子分析和细胞生物学方法的研究，将有望更深入地揭示异染色质的奥秘，推动生命科学和医学领域的发展。
