H3K27me3与PRC1-H2AK119ub通路协同维持H3K9甲基化缺失后的异染色质结构与转录沉默

本研究揭示了在H3K9甲基化缺失条件下，H3K27me3和PRC1介导的H2AK119ub通过独立或协同机制维持异染色质结构和基因沉默，首次系统解析了哺乳动物细胞中三大抑制性染色质修饰（H3K9me、H3K27me3、uH2A）缺失对3D基因组和转录调控的影响，为理解表观遗传冗余机制提供了新视角。

　　

在真核生物中，异染色质（heterochromatin）作为基因组稳定的守护者，通过高度凝缩的结构抑制转座子活性和细胞类型特异性基因表达。组蛋白修饰H3K9me3（组蛋白H3第9位赖氨酸三甲基化）和H3K27me3（第27位赖氨酸三甲基化）分别是构成型异染色质和兼性异染色质的标志，但二者在异染色质维持中的协同机制尚不明确。当H3K9甲基化缺失时，H3K27me3会重新分布至原本富含H3K9me3的基因组区域，但这一过程如何影响三维基因组结构和转录调控仍存在重大知识空白。

RIKEN先锋研究集群的Kei Fukuda和Yoichi Shinkai团队通过构建五基因敲除（5KO）的小鼠胚胎成纤维细胞（iMEFs），完全消除H3K9甲基化，并结合PRC2抑制剂DS3201和PRC1核心组分Ring1a/b敲除，首次实现了哺乳动物细胞中三大抑制性染色质修饰（H3K9me、H3K27me3、uH2A）的系统性缺失。研究团队运用ChIP-seq、RNA-seq和Hi-C技术，解析了表观基因组重塑、转录组变化和三维基因组结构的动态关联。

关键技术包括：1）建立多基因敲除的iMEFs细胞模型；2）通过载体辅助ChIP-seq（CATCH-seq）检测低丰度的uH2A修饰；3）高分辨率Hi-C分析三维基因组；4）转座子表达谱分析。

独立基因 repression 通路
研究发现，在H3K9甲基化缺失后，PRC2介导的H3K27me3主要抑制低CpG岛（CGI）密度且位于B区室（inactive compartment）的基因，而PRC1-uH2A通路则偏好调控高CGI密度、位于A区室（active compartment）的基因。例如Class 3基因（仅受H3K27me3抑制）在WT细胞中已同时富集H3K9me3和H3K27me3，说明这两种修饰在生理状态下可独立发挥作用。

转座子沉默的冗余机制
超过100种转座子在5KO细胞中被激活，其中IAPLTR4_I等逆转录转座子在H3K9me缺失后招募H3K27me3和uH2A，形成双重抑制屏障。当两种修饰同时缺失时，转座子表达进一步升高，证实表观遗传系统通过修饰"再分布"实现功能代偿。

三维基因组维持
Hi-C分析显示，H3K27me3和uH2A在5KO细胞中共同向B区室富集（相关系数R从WT的0.56升至0.87）。尽管6KO+sh1A+DS细胞中B-B区室互作显著减弱，但80%的B区室仍得以保留，提示存在其他未知的区室维持机制。值得注意的是，仅缺失H3K9me的细胞反而表现出更强的B区室聚类，说明抑制性修饰的简化可能促进异染色质凝聚。

这项发表于《Epigenetics》的研究首次阐明：1）PRC1/2通过修饰再分布维持H3K9me缺失后的基因组稳定性；2）H3K27me3与uH2A可独立或协同靶向不同基因组区域；3）三维区室化受多层级表观遗传调控。这些发现为理解发育疾病和癌症中表观遗传失调提供了新框架——当某一修饰通路异常时，其他通路可能通过功能代偿延缓表型恶化，这种冗余性既是基因组防御机制，也可能成为肿瘤耐药的新诱因。