?????? 細胞正常功能的維持離不開基因組DNA序列信息的精準傳遞——轉(zhuǎn)錄調(diào)控，轉(zhuǎn)錄需要通過RNA聚合酶II（RNA polymerase II，RNAPII）的招募（recruitment）、起始（initiation）、暫停-釋放（pausing-release）、延伸（elongation）等過程最終合成生物蛋白質(zhì)大分子來執(zhí)行下游功能。細胞命運則是由特定的轉(zhuǎn)錄程序來決定，且受到轉(zhuǎn)錄因子和表觀遺傳修飾（染色質(zhì)調(diào)控因子）等在內(nèi)的多層次因素的調(diào)節(jié)。雖然過去幾十年對于表觀遺傳調(diào)控的研究取得了巨大的成就，例如發(fā)現(xiàn)和鑒定了眾多不同組蛋白、DNA或RNA修飾標志物的修飾酶（writer）、去修飾酶（eraser）和修飾識別蛋白（reader）；但是大部分組蛋白的翻譯后修飾（posttranslational modifications，PTMs）在染色質(zhì)調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)錄過程中的作用主要是通過破壞PTMs相關(guān)的酶來間接推測出來的。
?????? 在眾多的組蛋白修飾中，基因活化狀態(tài)的標志物組蛋白H3上第4位的賴氨酸三甲基化（H3K4me3）是被研究得最為廣泛的PTMs之一，在哺乳動物細胞中其可以被6種不同的COMPASS復合物催化生成。由于H3K4me3在基因啟動子附近的富集水平與基因表達水平正相關(guān)，因此長久以來H3K4me3一直被認為是可以促進基因轉(zhuǎn)錄起始的。這一假說可以被一些體外生化實驗結(jié)果得以支持；此外，蛋白質(zhì)譜數(shù)據(jù)也顯示H3K4me3可以募集一些轉(zhuǎn)錄起始相關(guān)因子，例如TAF3和BPTF等。但在細胞水平上，領(lǐng)域里卻一直缺乏支持H3K4me3促進轉(zhuǎn)錄起始這一觀點的直接有力證據(jù)（換句話說，H3K4me3在細胞內(nèi)與基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的因果關(guān)系是不清楚的）。有意思的是，在酵母中敲除H3K4甲基轉(zhuǎn)移酶Spp1可以使H3K4me3顯著下降卻不影響基因轉(zhuǎn)錄，但COMPASS功能異常又會導致小鼠胚胎發(fā)育障礙和眾多不同類型腫瘤的發(fā)生。
?????? 2023年3月1日，美國紀念斯隆-凱瑟琳癌癥中心Kristian Helin?研究組在Nature 發(fā)表了題為：H3K4me3 regulates RNA polymerase II promoter-proximal pause-release?的研究長文，對以上這一長期困擾學界的問題進行了回答。
????? 由于傳統(tǒng)的基于基因敲除或敲降等技術(shù)研究H3K4me3的方法很難排除次級影響，加上哺乳動物細胞中催化H3K4甲基化相關(guān)酶復合物之間存在補償效應(yīng)或非特異性的問題，導致在細胞體內(nèi)很難對這其具體功能進行準確研究。因此研究人員首先建立了基于靶蛋白快速降解及可逆調(diào)控技術(shù)（degron）的COMPASS快速降解新系統(tǒng)（兩個獨立的系統(tǒng)：DPY30-mAID和RBBP5-FKBP，細胞系為小鼠胚胎干細胞（mESCs）），該新系統(tǒng)使得研究人員可以在不破壞細胞活力、細胞周期以及復合物內(nèi)其他組成成分的情況下急性降解COMPASS成員達到研究H3K4甲基化的特異性功能的目的(圖1）。
?????? 結(jié)果表明，在這兩個降解系統(tǒng)中，隨著誘導降解時間的延長，所有的H3K4甲基化（me1/2/3）可以被完全清除。有意思的是，相比H3K4me1和H3K4me2的完全丟失要等到24個小時的降解，H3K4me3的清除可以在驚人的2個小時內(nèi)被完成（圖2）。這一結(jié)果出人意料，因為一般認為組蛋白甲基化修飾的周轉(zhuǎn)主要依靠細胞周期復制，至少需要10個小時以上。通過在DPY30-mAID系統(tǒng)中雙敲除H3.3或H3K4me3去甲基化酶KDM5A/5B（dKO），研究人員發(fā)現(xiàn)H3K4me3的快速周轉(zhuǎn)主要依賴去甲基化酶的主動去甲基化過程，這一新發(fā)現(xiàn)也拓展了對組蛋白修飾周轉(zhuǎn)的認識。
????? 隨后，新生成熟RNA測序（SLAM-seq）結(jié)果則表明H3K4me3的快速丟失導致基因轉(zhuǎn)錄水平顯著性降低。然而通過RNAPII的ChIP-seq和質(zhì)譜，沒有發(fā)現(xiàn)缺失H3K4me3后導致轉(zhuǎn)錄起始被抑制的證據(jù)，反而發(fā)現(xiàn)啟動子附近RNAPII的富集明顯增多，提示可能H3K4me3涉及轉(zhuǎn)錄暫停-釋放過程。而且這些現(xiàn)象可以在KDM5dKO細胞中被顯著的延遲，說明這些影響確實是由于缺失H3K4me3本身導致的。與此一致的是，mNET-seq結(jié)果顯示H3K4me3的缺失會導致RNAPII堆積在暫停位點上且其半衰期被顯著延長；TT-seq數(shù)據(jù)表明RNAPII延伸速度也普遍下降。同時，mESCs的快速誘導分化（RA）實驗也證明H3K4me3在RNAPII轉(zhuǎn)錄（從頭）起始過程中不是必需的。
????? 最后，通過基于APEX2技術(shù)的RNAPII臨近蛋白生物素標記系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)整合子（Integrator）復合體催化亞基INTS11在H3K4me3的這一轉(zhuǎn)錄調(diào)控過程中起著關(guān)鍵作用。研究人員也提出了新的H3K4me3調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的模型（圖3）：快速周轉(zhuǎn)的H3K4me3通過動態(tài)招募INTS11到基因啟動子附近，INTS11則可以通過其核酸內(nèi)切酶活性來促進處于暫停狀態(tài)的RNAPII跨過+1核小體進行轉(zhuǎn)錄延伸。這些結(jié)果將進一步促進領(lǐng)域里對PTMs在基因轉(zhuǎn)錄過程中發(fā)揮的特異性作用機制的理解，也為研究H3K4me3相關(guān)調(diào)控因子在細胞命運決定和腫瘤發(fā)生發(fā)展中的具體作用提供了借鑒。
