组蛋白修饰通过相分离机制驱动异染色质区室化形成及其在急性髓系白血病中的调控作用

本研究揭示了H3K27me3-PRC1通过液-液相分离(LLPS)调控兼性异染色质区室化的分子机制，发现H3K27me3与H3K9me3修饰可形成互不相溶的染色质凝聚体，并证实CBX7-PRC1过表达通过相分离异常导致急性髓系白血病(AML)相关基因异常激活。该研究为表观遗传调控和肿瘤治疗提供了新见解。

　　

在真核细胞中，染色质如何有序地组织成不同的功能区室一直是生命科学的未解之谜。传统观点认为，组蛋白修饰（histone modifications）像分子标签一样标记着染色质的身份，但近年来科学家们发现，这些修饰可能通过更"生动"的方式——液-液相分离（liquid-liquid phase separation, LLPS）来划分细胞核内的分子疆域。尤其令人困惑的是，结构相似的组蛋白修饰如H3K9三甲基化（H3K9me3）和H3K27三甲基化（H3K27me3）如何形成互不干扰的独立区室？这些区室异常又与癌症发生有何关联？

清华大学膜生物学国家重点实验室和北京结构生物学高精尖创新中心的研究团队在《Cell Reports》发表的研究给出了答案。他们发现，组蛋白修饰与其阅读蛋白（reader）通过多价相互作用形成的相分离微环境，就像细胞核内的"分子分液漏斗"，能够将看似相似的染色质区室精确分离。更令人振奋的是，当这个精密系统被破坏时，会导致急性髓系白血病（AML）的关键基因异常激活。

研究人员主要运用了以下关键技术：1）体外重构甲基化核小体阵列（H3K27me3/H3K9me3-12xNA）与蛋白质复合物的相分离系统；2）荧光漂白恢复（FRAP）分析凝聚体动态特性；3）人脐带血来源CD34⁺造血干细胞模型；4）CRISPR-Cas9基因编辑构建CBX7敲除细胞系；5）整合CUT&Tag、Hi-C和RNA-seq的多组学分析。

【H3K27me3-PRC1通过相分离调控兼性异染色质】
研究发现CBX7-PRC1复合物（含RING1B、BMI1和fPHC1亚基）能通过其染色质结构域（chromodomain, CD）识别H3K27me3修饰，形成具有典型LLPS特征的液滴。当破坏CBX7的甲基化识别（F11A突变）或PHC1的寡聚化（L1547R/L1565R突变）时，相分离能力显著减弱，证实多价相互作用是相分离的分子基础。

【异染色质区室的"相分离分选"机制】
通过构建工程化SmF-CD多价支架系统，发现H3K27me3-PRC1与H3K9me3-HP1β/TRIM28形成的凝聚体互不相溶，类似细胞核内兼性与组成型异染色质的空间分离。等温滴定量热（ITC）显示HP1β-CD对H3K9me3的选择性结合是区室分选的关键。

【CBX7过表达破坏染色质区室平衡】
在稳定表达mCherry-CBX7的NIH-3T3细胞中，H3K9me3标记的染色中心（chromocenter）数量减少40%，主要卫星重复序列（MSR）转录激活。Hi-C分析显示A/B区室转换，且H3K9me3在基因荒漠区富集而在基因密集区减少，与CBX7结合呈负相关（Pearson r=-0.63）。

【AML治疗的相分离调控策略】
在THP-1和OCI-AML3细胞中，CBX7抑制剂MS37452能破坏H3K27me3-PRC1相分离，使H3K9me3区室重建，并抑制癌细胞增殖（IC₅₀=28μM），而正常细胞（HEK293和32D clone 3）不受影响。

这项研究揭示了表观遗传记忆的物理基础——组蛋白修饰通过微小的结合偏好差异（如CBX7-CD对H3K27me3/H3K9me3的K_d差异仅2.3倍）驱动相分离分选，实现染色质区室的特异性划分。更重要的是，该发现为AML等表观遗传紊乱疾病提供了新的治疗思路：通过调控异常相分离来恢复染色质空间组织。正如研究者Pilong Li指出："相分离的开关样高协同性，使细胞能清晰区分那些'看似混杂'的生化系统。"这项成果不仅解答了染色质组织的基本科学问题，也为开发靶向相分离的"表观遗传药物"奠定了理论基础。