H3K79甲基化与H3K36三甲基化协同调控多能干细胞基因表达的机制研究

本研究针对组蛋白修饰H3K79me和H3K36me3在基因调控中的协同作用机制不明的问题，通过CRISPR-Cas9基因编辑技术构建DOT1L/SETD2双催化失活的多能干细胞模型，揭示二者通过抑制转录延伸和YAP-TEAD信号通路协同防止基因过度激活，为神经分化障碍及相关疾病治疗提供新靶点。

　　

在生命科学领域，组蛋白修饰如何精确调控基因表达仍是未解之谜。尽管已知H3K79甲基化（H3K79me）和H3K36三甲基化（H3K36me3）这两种保守的组蛋白修饰均富集于活跃基因区域，但它们的协同作用机制及其在细胞命运决定中的功能始终模糊不清。更令人困惑的是，DOT1L（催化H3K79me的甲基转移酶）和SETD2（催化H3K36me3的甲基转移酶）的缺失分别仅引起轻微转录失调，却导致小鼠胚胎致死或神经发育异常，暗示二者可能存在未被发现的协同调控网络。

为破解这一谜题，研究人员通过CRISPR-Cas9基因编辑技术构建了DOT1L和SETD2双催化失活（DCI）的小鼠多能干细胞模型。研究发现，单独失活DOT1L或SETD2仅分别导致320和190个基因显著失调，而双失活却引发1418个基因（占失调基因70%）的过度激活。这种协同效应表现为：H3K79me/H3K36me3缺失导致RNA聚合酶II（RNAPII）在基因体部的积累增加，暂停指数降低，提示转录延伸过程失控。更令人意外的是，双缺失细胞完全丧失神经分化能力，并异常激活脂肪生成相关基因。

研究团队进一步采用染色质免疫共沉淀（ChIP-Rx）、转座酶可及性染色质测序（ATAC-seq）和RNA测序（RNA-seq）技术，发现H3K79me/H3K36me3缺失导致特定增强子区域染色质开放，并异常招募转录因子TEAD4及其共激活因子YAP1。通过抑制剂verteporfin阻断YAP-TEAD相互作用后，基因过度激活和染色质开放表型得到显著缓解，证实YAP-TEAD是介导组蛋白修饰协同调控的关键效应器。

这项发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究首次揭示：

1. 功能协同：H3K79me与H3K36me3通过物理共定位（64%峰值重叠）共同构建转录抑制屏障
2. 机制创新：二者缺失通过增强子-YAP-TEAD轴引发转录延伸失控，而非传统认知的起始调控
3. 转化价值：为DOT1L/SETD2突变相关的白血病和神经发育障碍提供新的治疗策略

关键技术方法：

1. CRISPR-Cas9构建DOT1L/SETD2催化突变干细胞系
2. 染色质免疫共沉淀（ChIP-Rx）分析组蛋白修饰全基因组分布
3. ATAC-seq检测染色质可及性动态变化
4. RNA-seq联合YAP-TEAD抑制剂处理解析转录调控网络

研究结果解析：
基因组共定位
ChIP-Rx显示H3K79me1/2/3与H3K36me3在64%的活性基因峰值区域重叠，共修饰基因表达水平显著高于非共修饰基因。

双催化失活模型
SETD2催化结构域缺失不影响其蛋白稳定性，但导致H3K36me3完全消失；双失活细胞（DCI）同时丧失H3K79me和H3K36me3，但多能性维持不变。

转录调控协同性
DCI细胞中1418个基因异常激活（如Gsk3b、Abcc5），伴随RNAPII在基因体部富集和暂停指数下降，提示转录延伸速率增加。

神经分化障碍
双缺失完全阻断神经谱系定向分化，并异常激活脂肪生成基因，揭示表观遗传屏障防止谱系错误定向的新机制。

YAP-TEAD机制
ATAC-seq发现2089个增强子区域染色质开放，其中80%富集TEAD结合 motif。ChIP-Rx证实YAP1/TEAD4招募增加，抑制剂处理可部分逆转基因过度激活。

这项研究不仅破解了两种组蛋白修饰协同调控转录的分子机制，更开创性地将YAP-TEAD信号与表观遗传调控网络相联系，为开发靶向组蛋白修饰相关疾病的联合疗法提供了理论依据。特别是H3K79me/H3K36me3通过抑制增强子过度活化来维持细胞命运决定的功能模型，为理解发育异常和肿瘤发生中的表观遗传失调提供了全新视角。