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多细胞生物的发育依赖于在不改变DNA序列的前提下精确建立并稳定遗传细胞类型特异性转录程序。多梳家族蛋白（Polycomb group proteins, PcG）是进化上保守的表观遗传抑制因子，通过组装成多蛋白复合物来建立稳健且具有时空特异性的转录沉默，从而调
多细胞生物的发育依赖于在不改变DNA序列的前提下精确建立并稳定遗传细胞类型特异性转录程序。多梳家族蛋白（Polycomb group proteins, PcG）是进化上保守的表观遗传抑制因子，通过组装成多蛋白复合物来建立稳健且具有时空特异性的转录沉默，从而调控发育基因的表达。自研究人员通过经典的多梳突变体表型在果蝇黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）中发现PcG蛋白以来，它们已成为理解动物发育过程中表观遗传调控的核心范式。在此，研究人员综合阐述了核心多梳抑制复合物PRC1和PRC2以及辅助复合物PhoRC、PR-DUB和dRAF的分子组成与功能组织，特别强调了经典的层级招募机制以及新兴的非经典调控模式在多梳介导的基因抑制中的作用。研究人员进一步总结了PcG蛋白在果蝇整个生命周期中的动态作用，涵盖胚胎模式形成、幼虫器官发生、变态转变以及成体组织稳态。通过整合来自果蝇研究的最新进展，本综述全面概述了PcG蛋白的分子机制和发育功能，同时指出了未来研究后生动物发育中保守表观遗传机制的方向。
2. 多梳功能的分子机制
2.1. PcG复合物的组成
PcG蛋白通过由广泛的蛋白质-蛋白质相互作用介导的多亚基复合物组装来发挥作用。早期研究主要聚焦于两个核心多梳抑制复合物PRC1和PRC2。随着生化纯化和蛋白质组学技术的进步，多梳复合物的分子组成和功能分类被逐步完善。PRC2围绕一个保守的催化核心构建，包含E(z)、Su(z)12、Esc和Nurf55。在某些发育阶段，Esc可被其旁系同源物Escl替代，产生发育上不同的PRC2组装体。根据辅助亚基的组成，果蝇PRC2可进一步分为两类主要亚复合物：PRC2.1含有辅助因子Pcl，而PRC2.2的特征是包含Jarid2和锌指蛋白Jing。PRC1的分子多样性同样体现在不同的典型和变异组装体中。典型PRC1（cPRC1）包含dRING/Sce、Pc、Ph、Psc和Su(z)2，主要负责通过染色质压缩和建立抑制性染色质环境来加强转录抑制。相比之下，变异PRC1（vPRC1）表现出更大的组成多样性，可分为两个主要亚复合物：vPRC1.1由dRING/Sce、L(3)73Ah、Rybp、Kdm2、CG14073和CG8677组成；而PRC1.3/5复合物的特征在于包含dRING/Sce、Rybp、L(3)73Ah和Tay。此外，果蝇中还鉴定出几种辅助性PcG相关复合物：PhoRC由Pho或Phol与Sfmbt组成，主要通过PRE促进多梳复合物的初始招募；PR-DUB复合物由Asx和Calypso组成，通过催化H2A去泛素化来对抗PRC1介导的组蛋白H2A泛素化；dRAF复合物由dRING/Sce、Psc和Kdm2组成，兼具H3K36去甲基酶相关活性和H2A泛素连接酶活性。值得注意的是，Scm应区别于PRC1和PRC2的核心亚基，它作为一个独立的桥接因子，通过其SAM结构域介导同源寡聚化以及与PRC2和PRC1亚基Ph的相互作用，促进两种多梳复合物的空间偶联。
2.2. 多梳响应元件
PRE是特化的顺式调控DNA序列，作为多梳复合物在靶位点招募的成核位点。PRE包含多个序列特异性DNA结合蛋白的识别基序，包括Pho/Phol、GAF、Psq、Spps、Cg、Zeste、Grh、Dsp1、Adf1和Crol。这些因子通过广泛的功能相互作用和部分冗余协同作用，建立一个强大的招募平台，促进PRC1和PRC2在PRE上的组装。PRE是高度动态的调控元件，能够整合发育信号与基于染色质的基因调控。多梳介导的抑制本身也是一个高度动态的过程，PcG蛋白可以占据处于活跃和抑制染色质状态的PRE，并且不同的PRE在果蝇发育的不同阶段和组织中以特定的方式被部署。除了线性序列特征外，PRE还通过充当顺式调控锚点，促进染色质环的形成和多梳结构域的建立，从而参与基因组的三维组织。超分辨STED显微镜对果蝇Hox簇的研究进一步显示，多梳焦点并非均一结构，而是包含称为PRC1纳米球的动态PRC1亚结构，这些纳米球优先与PRE关联并有助于Hox位点的压缩。
2.3. 典型的多梳招募
经典的层级招募模型描述了多梳复合物协调有序的招募过程。首先，PhoRC作为多梳组装的成核平台，通过Pho或Phol识别PRE。随后Sfmbt的加入完成PhoRC组装，并通过蛋白质-蛋白质相互作用招募PRC2。PRC2的核心亚基协同工作，其催化亚基E(z)的SET结构域对PRE周围的核小体进行H3K27me3修饰。Esc通过其WD40重复结构域特异性识别H3K27me3，并变构增强E(z)的催化活性，形成一个读取器-写入器正反馈环路。Su(z)12作为PRC2的结构支架，Nurf55则作为组蛋白伴侣。在PRC2介导的H3K27me3沉积之后，cPRC1通过其亚基的协同作用被招募到这些抑制性染色质结构域。Pc的染色质结构域特异性识别H3K27me3，指导cPRC1的正确定位。催化亚基dRING/Sce随后对组蛋白H2A的第118位赖氨酸进行单泛素化修饰（H2AK118ub）。Ph通过自我寡聚化促进高阶染色质组织，而Psc作为结构支架维持cPRC1的完整性。PR-DUB复合物则通过其去泛素化酶活性平衡PRC1介导的H2AK118泛素化水平，维持组蛋白泛素化稳态。这些组蛋白修饰在DNA复制和染色质重新组装过程中被忠实传播，为表观遗传记忆提供了分子基础。
2.4. 非典型的多梳调控
非典型多梳调控的一个显著特征是单个复合物可以独立于经典的PRC2到PRC1的招募级联发挥作用。例如，PRC1或dRAF可以在某些PRE上促进随后的PRC2招募，而其他PRE则可以通过部分独立的机制招募PRC1和PRC2。在果蝇发育过程中，只要H3K27me3结构域保持足够广泛，即使PRC1持续占据丢失，Ubx位点的抑制也能维持。此外，多梳复合物还可以在特定环境下贡献于转录激活。这种功能可塑性由复合物组成、组蛋白修饰串扰、发育信号以及与TrxG因子的相互作用决定。例如，Pc亚基可以与不同的辅因子结合，将多梳活性从抑制转向激活。H3K27me3与H3K4me3等活性标记共存可以建立二价或待命状态。TrxG因子可以通过促进活性组蛋白修饰和对抗PRC2介导的H3K27me3来拮抗多梳抑制。在果蝇中，20E信号通过EcR/USP核受体复合物可以在变态过程中重塑多梳相关染色质。在PRE/TRE元件处，PcG和TrxG因子可能共存，它们的相对活性以及非编码转录的方向可以调控抑制或激活状态。
2.5. 整合典型与非典型多梳招募
典型和非典型途径应被视为互补而非互斥的多梳调控模式。典型途径提供了一个顺序框架，其中PRE结合因子促进PRC2招募、H3K27me3沉积和随后的cPRC1参与。非典型途径引入了灵活性，允许PRC1优先招募、不依赖H3K27me3的靶向、复合物特异性的抑制维持以及在选定情境下的多梳相关转录激活。这些途径可以独立运作或在同一基因座汇聚，其相对贡献取决于底层DNA元件、染色质状态、发育阶段和PcG复合物的组成。
3. 多梳在胚胎发育中的功能
3.1. 合子基因组激活前的母源多梳建立
在早期果蝇胚胎发生过程中，母源多梳复合物在广泛的合子转录开始前建立了抑制性染色质状态。母源PRC2在发育基因座上沉积H3K27me3，防止Hox和其他发育基因的过早激活。这种母源状态在母源-合子转换期间被积极重塑。PR-DUB移除母源沉积的H2AK118ub，其中Calypso对抗母源PRC1活性并促进合子转录。
3.2. 合子基因组激活期间及之后的合子多梳重编程
在MZT之后，多梳调控从母源遗传转变为合子控制的抑制。在核周期14，先锋因子Zelda使一部分PRE具备多梳招募能力，促进PRC2成核和H3K27me3沉积。在合胞体胚盘阶段，PRC2依赖的H3K27me3维持间隙基因gt的抑制。多梳还沿前后轴维持Hox表达边界，其缺失会导致异位Hox表达、同源异形转化和胚胎致死。
4. 多梳在胚后发育中的功能
4.1. 幼虫生长和细胞增殖
在幼虫发育期间，多梳复合物在组织增殖和分化过程中保存转录记忆并维持Hox抑制。E(z)和Su(z)12保持在低但持续的水平，而Esc在胚胎发生后下降并被Escl逐渐取代，反映了PRC2的发育重塑。多梳活性在幼虫发育中也具有组织特异性。E(z)在中枢神经系统中阻止异位Hox激活和过早的神经母细胞分化。多梳复合物直接调控幼虫生长和细胞周期进程。值得注意的是，在第一龄幼虫期短暂消耗Ph会导致持续过度增殖、上皮极性丧失和眼成虫盘分化受损。
4.2. 细胞命运决定
在幼虫发育期间，多梳复合物通过限制不适当的细胞命运程序来维持谱系身份。成虫盘的塑性说明了这一功能。JNK介导的腿盘中Pc和Ph抑制解除对vg和wg的抑制，实现腿到翅的转化。多梳组分也维持成虫盘中Ubx和其他Hox基因的空间限制。多梳复合物还调节终末细胞命运决定，如Sce、Scm、Pc等相关成分的缺失会破坏光感受器命运的特化。
4.3. 变态和组织重塑
幼虫到蛹的转变需要由20E和保幼激素驱动的广泛转录重编程。多梳复合物通过调节蜕皮激素生物合成和激素响应性转录来发挥作用。在前胸腺中，PRC2抑制Hairy以促进蜕皮激素产生。在变态过程中，20E-Sox14通路诱导Mical用于轴突修剪，而多梳维持适当的Hox抑制。PRC1优先抑制Abd-B和Scr，而PRC2优先靶向Ubx和abd-A。PRC1催化亚基dRING/Sce抑制Abd-B以促进翅外翻和围膜上皮的部分上皮-间充质转化。
5. 多梳在成体生理中的功能
5.1. 昼夜节律和肠道稳态
在果蝇中，多梳复合物有助于维持昼夜节律、睡眠稳态和肠道组织完整性。在时钟神经元中，Pc与per、tim和神经肽基因的调控区域结合。在肠道中，PRC2维持肠道干细胞身份，其破坏导致异常增殖和分化。
5.2. 环境适应与衰老
多梳介导的染色质重塑也参与环境适应和衰老。E(z)的部分缺失使包括Abd-B和Odc1在内的基因去抑制，增加对氧化应激和饥饿的抵抗力并延长寿命。在低温下，多梳靶标的抑制减弱伴随着从H3K27me3向H3K4me3的转变。在衰老的大脑中，miR-34抑制PRC2.1相关因子Pcl和Su(z)12，降低整体H3K27me3水平。
5.3. 雄性种系稳态和精子发生
在成年果蝇睾丸中，多梳复合物在hub相关的微环境中调节生殖干细胞维持、谱系进程和精子发生。PRC2通过E(z)依赖的方式促进精原细胞去分化和GSC池的补充。在CySCs中，协调的PRC1-PRC2活性维持H3K27me3依赖的Abd-B抑制。多梳相关因子E(Pc)在CySCs中通过抑制JAK-STAT和EGF信号促进分化，在种系中通过抑制CycB和促进Bam来促进有丝分裂到减数分裂的转变。
5.4. 雌性种系发育和卵子发生
在成年卵巢中，PRC2是涉及卵子发生的主要多梳复合物。E(z)的缺失破坏了细胞周期调控因子如cycE和dap处的H3K27me3沉积，损害卵母细胞特化并导致雌性不育。PRC2还调节GSC自我更新和分化之间的平衡。值得注意的是，卵子发生显示出两个典型多梳复合物之间显著的功能不对称性，PRC1在很大程度上对于卵母细胞特化、GSC维持和分化是非必需的。多梳相关因子Sfmbt在减数分裂中发挥特殊功能，抑制编码联会复合体成分的基因的过度表达。
