异染色质蛋白Rhino通过双组蛋白标记组合特异性识别piRNA簇的分子机制

本研究揭示了果蝇生殖细胞中异染色质蛋白Rhino(Rhi)如何通过识别H3K9me3和H3K27me3双组蛋白标记组合，特异性靶向特定piRNA簇的分子机制。研究人员通过遗传筛选发现H3K27甲基转移酶E(z)对转座子沉默至关重要，结合ChIP-seq和CUT&RUN技术证实Rhi通过其chromodomain(CD)识别双标记染色质域，从而独立于Kipferl(Kipf)通路调控piRNA生成。该发现为理解表观遗传密码如何指导转座子沉默提供了新范式。

　　

在生物基因组中，转座子(Transposable Elements, TEs)如同潜伏的"分子寄生虫"，其异常激活会导致基因组不稳定甚至不育。动物生殖细胞演化出PIWI-interacting RNA(piRNA)通路这一精密的防御系统，通过小RNA介导的沉默机制控制TE活性。然而，作为该系统核心组件的异染色质蛋白Rhino(Rhi)存在一个长期未解的谜题：虽然其chromodomain(CD)在体外能结合H3K9me3修饰，但在体内仅靶向部分富含H3K9me3的基因组区域。这种选择性靶向的分子基础，一直是表观遗传调控领域的重要科学问题。

法国克莱蒙奥弗涅大学和英国剑桥大学癌症研究所的联合研究团队在《Nature Structural & Molecular Biology》发表的研究，揭示了Rhi通过组合识别H3K9me3和H3K27me3双组蛋白标记的特异性靶向机制。研究人员首先通过果蝇卵巢的遗传筛选发现，H3K27甲基转移酶Enhancer of Zeste(E(z))的缺失导致13种TE家族显著上调。RNA荧光原位杂交(RNA-FISH)显示，E(z)缺失特异性地减少了双链piRNA簇42AB的转录，而对Kipf依赖的簇80F无影响。全基因组分析发现，42AB等Rhi靶向位点同时富含H3K9me3和H3K27me3标记，且这种双标记模式在多种果蝇物种中保守存在。

研究采用染色质免疫沉淀测序(ChIP-seq)和CUT&RUN技术，结合遗传干扰实验，系统阐明了Rhi的两种独立招募机制：在Kipf依赖的位点(如80F簇)，Rhi通过识别DNA序列特征被招募；而在42AB等位点，Rhi通过其CD直接识别H3K9me3/H3K27me3双标记染色质。通过构建人工双CD融合蛋白，研究人员在果蝇S2细胞中重现了Rhi对双标记染色质的特异性结合。分子动力学模拟进一步支持Rhi CD二聚体可同时结合组蛋白H3尾部的K9me3和K27me3修饰。

研究结果部分包含以下重要发现：

1. "E(z) is required for TE silencing in Drosophila germ cells"：通过RNAi筛选和表型分析，证实E(z)缺失导致TE去抑制和piRNA产生缺陷，特别是影响42AB簇的功能。
2. "H3K27me3 and H3K9me3 marks coexist on E(z)-dependent piSL"：基因组分析揭示42AB等位点同时富含H3K9me3和H3K27me3，且双标记比单一标记更能预测Rhi结合位点。
3. "Rhi binding to a subset of piSL depends on E(z)"：ChIP-seq证明E(z)缺失选择性地减少Rhi在42AB等双标记位点的结合，而不影响其在Kipf依赖位点的定位。
4. "Kipf and E(z) independently guide Rhi to its targets"：双敲除实验显示E(z)和Kipf通路相互独立地调控Rhi在不同piRNA簇的定位。
5. "Rhi binds H3K9me3/H3K27me3 in a Kipf-independent context"：体外实验证实Rhi CD可直接识别双标记染色质，且该过程不依赖Kipf蛋白。
6. "The H3K9me3/H3K27me3 histone code at major piSL is conserved"：比较基因组学分析表明双标记模式在果蝇属物种中保守存在。

这项研究的重要意义在于：首次阐明Rhi通过组合识别H3K9me3/H3K27me3实现位点特异性靶向的分子机制，突破了传统认为这两种标记互斥的观点。发现的"双标记"识别模式为理解染色质结合蛋白的特异性调控提供了新范式，也为生殖细胞中转座子沉默的表观遗传调控机制提供了全新视角。从技术层面看，研究开发的合成双CD系统为解析复杂表观遗传密码提供了有力工具。这些发现将对生殖生物学、表观遗传学和转座子生物学领域产生深远影响。