撰文 | 小柚
責編 | 兮
核小體是真核生物染色質的基本結構單元，由DNA和組蛋白組成，大約147bp的DNA纏繞在核心組蛋白H2A,H2B,H3和H4組成的八聚體上。同時，體外實驗發現連接組蛋白(linker Histone)H1鎖定進出核小體兩端的DNA，使染色質的結構更加穩定【1】。然而，組蛋白H1在細胞內的功能和重要性一直未被闡明。
2020年12月9日，來自美國愛因斯坦醫學院的Arthur I. Skoultchi教授和威爾康奈爾醫學院的Ari M. Melnick教授以背靠背的形式在Nature發表有關組蛋白H1通過影響染色質3D結構調控發育和疾病進程的機制。
Arthur I. Skoultchi教授的研究題為「H1 histones control the epigenetic landscape by local chromatin compaction」，該研究發現組蛋白H1通過調控染色質結構來影響表觀遺傳修飾H3K27me3和H3K36me2的豐度，從而影響基因表達的機制。
人類細胞中至少有10種不同的組蛋白H1異構體，其中H1A至H1E（也稱為H1-1至H1-5）這5個變體的表達最廣泛。研究者前期的研究發現單獨敲除某一個或兩個H1變體都不會引起明顯的表型【2】，而同時敲除H1C(H1-3),H1D(H1-4)和H1E(H1-4)則導致小鼠胚胎死亡【3,4】，說明H1在哺乳動物發育中具有重要功能，但這也阻礙了H1功能和作用機制的進一步研究。為了克服這個問題，研究者開發了條件誘導依賴的H1C,H1D和H1E三敲體系（之後命名為H1cKO），能夠在特定體系中敲除它們。
通過整合基因表達和色譜數據，研究者發現H1C,H1D和H1E在B細胞和T細胞中佔所有H1變體的90%以上，因此研究H1在B,T細胞中的功能和作用機制。H1cKO顯著的降低B,T細胞的增殖並促進細胞凋亡，說明H1在B,T細胞發育中很重要。
接下來，研究者檢測H1敲除對染色質結構的影響。Hi-C分析顯示雖然大部分的A,B compartments不受H1敲除的影響，但是受H1敲除影響的區域顯示出更強的B到A compartments的變化（1021個），而不是A到B compartments（283個）。（註：A,B compartments，也稱為A，B區室或A,B間隔，A compartments主要是常染色質-轉錄活躍區域，B compartments則主要是異染色質-轉錄抑制區域。）
進一步，研究者將染色質分為3種類型。Type 1約佔基因組的3%，是最開放的區域，基本不受H1缺失的影響。Type 2約佔基因組的23%，包括了不同轉錄水平的基因，在敲除H1後核小體重複長度（nucleosome-repeat length，NRL）降低。Type 3約佔基因組的74%，主要是富集H3K27me3，H3K9me3和沒有特定染色質修飾的異染色質區域；與Type 2類似，敲除H1也引起Type的NRL減少，但特別的，只有Type 3在H1敲除後開放性增加。是什麼造成了不同染色質區域對H1敲除的響應的不同呢？研究者發現Type 3區域本身含有更多的H1/核小體比例。
那麼，H1的敲除是否會影響Type 3區域的組蛋白修飾呢？通過質譜鑑定和CHIP實驗，研究者發現敲除H1會降低H3K27me3但提高H3K36me2的含量。體外酶活實驗顯示，H1可以促進PRC2-AEBP2的H3K27me2活性，並抑制NSD2的H3K36me2活性。有趣的是，只有在多核小體的情況下才能檢測到H1對NSD2的抑制，而在單核小體，H1不能抑制NSD2的活性，這說明H1通過促進染色質壓縮抑制HSD2的活性。
根據以上H1的作用機制，研究者解釋了H1的缺失如何影響 B，T細胞的活力。同時，該研究揭示的H1在染色質結構中和表觀遺傳中的功能，也提示了H1可能在發育和疾病進程中有重要作用。
確實，在同期的Nature上，Ari M. Melnick教授發表研究「Histone H1 loss drives lymphoma by disrupting 3D chromatin architecture」，該研究揭示了在淋巴瘤中常見的H1突變，通過調控染色質結構和H3K27me3，H3K36me2修飾，促進淋巴瘤進程的分子機制。
總的來說，這兩項研究分別揭示了H1在發育和疾病中的重要功能。H1通過將染色質壓縮，促進H3K27me3的沉積並抑制NSD2的H3K36me2活性（圖1）。組蛋白是染色質的重要組成部分，而以往的研究主要集中在核心組蛋白上，這兩項研究首次證明了H1在染色質上分布的不均勻，以及對特定染色質區域的調控，具有重要意義。
原文連結
https://doi.org/10.1038/s41586-020-3032-z
https://doi.org/10.1038/s41586-020-3017-y
參考文獻
1. Catez F, UedaT, Bustin M. Determinants of histone H1 mobility and chromatin binding inliving cells. Nat Struct Mol Biol. 2006 Apr;13(4):305-10. doi:10.1038/nsmb1077. PMID: 16715048; PMCID: PMC3730444.
2. Fan, Y.,Sirotkin, A., Russell, R. G., Ayala, J. & Skoultchi, A. I. Individualsomatic H1 subtypes are dispensable for mouse development even in mice lackingthe H10 replacement subtype. Mol. Cell. Biol. 21, 7933–7943 (2001).
3. Fan, Y. etal. Histone H1 depletion in mammals alters global chromatin structure butcauses specific changes in gene regulation. Cell123, 1199–1212 (2005).
4. Fan, Y. etal. H1 linker histones are essential for mouse development and affectnucleosome spacing in vivo. Mol. Cell. Biol. 23, 4559–4572 (2003)