由HUSH表观遗传转录抑制复合物介导的沉默作用

《Annual Review of Biochemistry》：Silencing by the HUSH Epigenetic Transcriptional Repressor Complex

HUSH复合体通过识别新整合retroelements的long intronless DNA特征，介导表观遗传沉默，包括H3K9me3沉积和染色质压缩，从而保护基因组免受逆转录病毒及内源性retrotransposon入侵。其机制涉及RNA结合及多效应蛋白招募，并影响胚胎发育和病毒潜伏感染。

　　HUSH complex，作为人类基因组中一种重要的表观遗传学转录抑制复合体，其作用机制与宿主防御系统密切相关。HUSH的核心功能是识别并沉默新整合的逆转录元件，例如病毒和转座子，通过形成异染色质结构和染色质压缩，以保护基因组的完整性。这种机制在进化过程中被宿主细胞所发展，以应对逆转录元件带来的潜在威胁。逆转录元件在基因组中频繁出现，它们不仅可能破坏基因组结构，还可能通过基因组的垂直传递影响后代。因此，HUSH的出现，为宿主提供了一种高效的免疫监视系统，以应对这些潜在的入侵者。

在基因组层面，HUSH能够区分自我和非自我DNA的关键在于其对长单外显子（即无内含子）DNA的识别。大多数复杂基因组中的基因都含有丰富的内含子，这些内含子通常占基因长度的80%到90%。而逆转录元件由于是RNA来源，缺乏经典的非编码内含子，因此其整合后的DNA结构与宿主基因存在显著差异。这种差异使得HUSH能够迅速识别并抑制这些外来DNA的转录活性，从而防止它们在基因组中扩散和表达。HUSH的这种能力，使它成为宿主防御系统中一个独特的组成部分，因为它不需要预先接触这些逆转录元件，就能识别并沉默它们。

HUSH的识别机制依赖于基因组中的一些关键特征。例如，HUSH对长于1 kb的DNA序列具有高度敏感性，且需要活跃的转录过程。这些特征使得HUSH能够靶向那些处于活跃转录状态的基因，而这些基因通常具有较高的RNA聚合酶II（RNA Pol II）占用率。此外，HUSH对DNA链上的腺嘌呤（A）富集区域特别敏感，这与逆转录元件的特征高度一致。因此，HUSH的识别过程可能依赖于这些DNA的结构和组成，而不是具体的序列信息。这种机制使得HUSH能够在没有预存记忆的情况下，快速响应新整合的逆转录元件。

HUSH的结构由三种核心蛋白组成：TASOR（转基因激活抑制子）、MPP8（M期磷酸蛋白8）和Periphilin（周围蛋白）。这些蛋白共同构成了HUSH复合体的基础，并在不同的功能模块中发挥关键作用。例如，TASOR作为核心组装平台，能够连接MPP8和Periphilin，而MPP8则通过其染色体结构域（CD）与SETDB1相互作用，促进H3K9me3的沉积，从而形成抑制性的异染色质。同时，MPP8的C端结构域（CTD）包含五个ankyrin重复序列和一个与Siz/PIAS家族SUMO E3连接酶的PINIT结构域相似的结构，这些结构域可能参与染色质重塑和HUSH复合体的稳定性。Periphilin则通过其无序的N端结构域（NTD）与RNA结合，这一过程可能对HUSH复合体的定位和稳定性至关重要。

HUSH不仅能够通过染色质重塑和异染色质形成来抑制逆转录元件的表达，还能够通过招募其他效应因子，如SETDB1和MORC2，来增强其抑制效果。SETDB1主要负责H3K9me3的沉积，而MORC2则通过ATP依赖的染色质重塑作用，进一步压缩DNA结构，从而阻止逆转录元件的转录。此外，HUSH还能够与RNA降解机制相互作用，如NEXT复合体和CNOT1通路，以促进逆转录元件RNA的降解，进一步限制其表达。

HUSH的功能不仅限于逆转录元件的沉默，它还参与了基因组的广泛免疫监视过程。在基因组中，HUSH能够识别并沉默那些具有异常转录特征的DNA序列，这些序列可能来源于新整合的逆转录元件或某些特殊基因的转录产物。这种能力使得HUSH能够在不同条件下对基因组进行动态监测，并对潜在的威胁做出快速反应。HUSH还与基因组的其他调控机制相互作用，如DNA甲基化和组蛋白修饰，这表明HUSH可能在表观遗传调控中扮演多重角色。

HUSH在宿主免疫防御中的作用不仅限于逆转录元件的识别和沉默，它还可能参与其他类型的基因调控。例如，HUSH与某些干扰素刺激基因（ISGs）的调控有关，这些基因通常在病毒感染后被激活。HUSH2，作为HUSH的第二个变体，可能通过不同的机制调控这些基因。HUSH2的形成可能依赖于TASOR2与MPP8和Periphilin的相互作用，但其调控的基因与HUSH不同，主要集中在ISGs和KRAB-ZNF基因簇上。这表明HUSH和HUSH2可能在不同情况下发挥不同的作用，但它们之间的相互作用可能对宿主免疫反应的调控具有重要意义。

在进化层面，HUSH的出现可能与宿主对逆转录元件的适应有关。HUSH最早在软骨鱼类中被发现，其结构和功能可能与酵母中的RITS复合体相似。RITS复合体同样能够识别重复序列并形成抑制性的异染色质，这表明HUSH可能在进化过程中通过不同的机制，实现了类似的基因组沉默功能。HUSH的这种进化适应性，使其成为宿主防御系统中一个重要的组成部分，能够快速响应新的逆转录元件入侵，并通过表观遗传调控机制限制其表达。

HUSH在早期胚胎发育中的作用同样重要。在胚胎发育过程中，基因组经历了多次表观遗传重编程和DNA去甲基化，这使得逆转录元件的活动显著增加。此时，HUSH能够通过抑制这些元件的转录，维持基因组的稳定性。在小鼠中，HUSH组件的缺失会导致胚胎发育异常，如细胞活力下降、凋亡增加以及神经发育受阻。这表明HUSH在胚胎发育过程中对基因组的保护至关重要。

HUSH的功能还可能影响某些疾病的发生和发展。例如，在癌症治疗中，HUSH的抑制可能有助于增强肿瘤细胞的免疫原性，从而提高免疫疗法的效果。在HIV-1的治疗中，HUSH的抑制可能帮助释放潜伏的病毒基因组，促进其被T细胞清除。此外，HUSH的抑制还可能提高基因治疗的效果，因为许多基因治疗载体，如慢病毒载体，都可能受到HUSH的抑制。通过了解HUSH的调控机制，科学家们可以开发新的策略，以优化基因治疗载体的设计，提高其在体内的表达效率。

综上所述，HUSH复合体在基因组免疫监视和逆转录元件调控中扮演着至关重要的角色。它通过识别长单外显子DNA，能够迅速响应新整合的逆转录元件，并通过多种效应因子的协同作用，实现对其的沉默。HUSH的这种能力，使其成为宿主防御系统中一个独特的组成部分，为研究基因组的自我与非自我识别机制提供了新的视角。未来的研究需要进一步探索HUSH的结构和功能，以更深入地理解其在基因组调控中的作用，并为相关疾病的治疗和基因治疗的应用提供理论支持。