KAP1 的 HP1 盒通过组织 HP1α 沉默胚胎干细胞内源性逆转录病毒元件的机制研究

为解决 KAP1 含有的复合物抑制内源性逆转录病毒元件（ERVs）机制不清的问题，研究人员开展 KAP1 与 HP1α 相互作用研究。发现 KAP1 的 HP1 盒与 HP1αCSD结合促染色质闭合，该研究为理解 ERVs 沉默提供新视角。

　　在生命的遗传信息宝库中，基因组的稳定性如同坚固的城墙，守护着细胞的正常运作。而异染色质作为基因组中高度浓缩且转录失活的区域，正是这城墙的重要基石，尤其在抑制内源性逆转录病毒元件（ERVs）方面扮演着关键角色。ERVs 这类古老的遗传物质遗迹，约占人类基因组的 35%，一旦它们的转录调控失衡，就可能引发基因组不稳定，与癌症、神经退行性疾病和衰老等多种严重健康问题紧密相连。然而，尽管已知含有 KRAB 相关蛋白 1（KAP1）的复合物在 ERVs 抑制中发挥作用，但背后的具体机制却一直笼罩在迷雾之中。为了揭开这层神秘的面纱，来自美国科罗拉多大学医学院、德克萨斯大学西南医学中心等机构的研究人员展开了深入研究，相关成果发表在《Nature Communications》上。

研究人员采用了多种关键技术方法来探索其中的奥秘。通过染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）和染色质可及性测序（ATAC-seq）等技术，对基因组范围内的染色质状态和蛋白结合情况进行分析；运用 X 射线晶体学、核磁共振（NMR）等结构生物学手段，解析分子间的相互作用结构；借助电泳迁移率变动分析（EMSA）研究蛋白与 DNA 的结合能力；利用荧光恢复后光漂白（FRAP）实验和体外液 - 液相分离（LLPS）实验，探讨蛋白的相分离特性。

结果

1. KAP1 与 HP1 在 ERVs 的共定位

ChIP-seq 分析显示，在小鼠胚胎干细胞（ESCs）中，HP1 家族蛋白（HP1α、HP1β、HP1γ）与 KAP1 在基因组上的富集区域高度重叠，尤其在 IAPEz、MERVK10C 和 ETn 等 ERVs 家族中表现显著。这些区域同时富集了组蛋白 H₃K9me³和 H3.3，而缺乏转录激活相关的组蛋白修饰如 H3K9ac 和 H3K27ac，表明 KAP1 与 HP1 在 ERVs 的异染色质区域存在协同作用。

2. KAP1_Hbox与 HP1α_CSD相互作用的分子基础

通过 X 射线晶体学解析了 KAP1 的 HP1 盒（KAP1_Hbox）与 HP1α 的染色质阴影结构域（HP1α_CSD）复合物的结构。结果显示，HP1α_CSD形成同源二聚体，KAP1_Hbox以延伸构象结合在二聚体形成的沟槽中，通过疏水相互作用和氢键稳定结合。NMR 滴定实验进一步验证了这种相互作用，突变关键疏水残基（如 HP1α_CSD的 W174 或 KAP1_Hbox的 V488）会导致复合物形成失败，说明疏水作用是维持两者结合的关键。

3. KAP1_Hbox增强 HP1α 的 DNA 结合和相分离能力

EMSA 实验表明，KAP1_Hbox的存在显著增强了全长 HP1α 与 147 bp Widom 601 DNA 的结合能力，这种增强作用依赖于 KAP1_Hbox中的正电荷残基，尤其是 R487。当 R487 被替换为天冬氨酸时，结合能力大幅下降。在细胞内，KAP1 的存在促进了 HP1α 形成更大的点状结构，FRAP 实验显示这些结构具有液 - 液相分离的特性。体外实验也证实，野生型 KAP1 能有效促进 HP1α 与 DNA 形成相分离液滴，而 HP1 结合缺陷的突变体则无法实现这一过程。

4. HP1α 通过 CSD 结构域寡聚化

通过核磁共振和质谱分析发现，HP1α 在溶液中形成高于二聚体的寡聚体，其寡聚化依赖于 HP1α_CSD的 β- 折叠界面。突变 β- 折叠界面的疏水残基（如 L139E/L150E）会破坏寡聚体的形成，导致 HP1α 的 CSD 结构域信号在 NMR 谱中变得可检测。KAP1_Hbox的结合进一步促进了 HP1α 的寡聚化，而 β- 折叠界面突变体则无法响应这种促进作用，表明 KAP1 通过诱导 HP1α 的寡聚化来增强其功能。

5. KAP1 与 HP1 的直接相互作用维持 ERVs 的染色质闭合状态

利用条件性敲除 KAP1 的 ESCs 模型，研究人员发现 KAP1 的缺失会导致 ERVs 区域的染色质可及性增加，H3K9me³减少，H3K27ac 富集，表明染色质处于开放激活状态。当重新表达野生型 KAP1 时，能部分恢复染色质的闭合状态，而表达 HP1 结合缺陷的 V488E 突变体则无法有效恢复。ATAC-seq 分析显示，KAP1 与 HP1 的相互作用对维持 IAPEz、MERVK10C 和 ETn 等 ERVs 的染色质不可及性至关重要，且这种作用与 KAP1 在这些区域的富集程度呈正相关。

结论与讨论

这项研究揭示了 KAP1 与 HP1α 在 ERVs 沉默中的关键机制。KAP1 的 HP1 盒通过与 HP1α_CSD的相互作用，诱导 HP1α 的结构组织和寡聚化，增强其 DNA 结合能力和相分离特性，进而促进染色质形成闭合状态，有效抑制 ERVs 的转录。这一发现不仅填补了 KAP1-HP1 复合物在异染色质形成和维持机制中的空白，也为理解 ERVs 相关疾病的发生提供了新的视角。未来，进一步深入研究 KAP1-HP1 相互作用的调控细节，可能为开发针对癌症、衰老等疾病的治疗策略提供潜在靶点。