在基因的表觀遺傳調控中，不同位點不同類型的組蛋白修飾通常代表了不同的基因調控事件。組蛋白修飾H3K4me3常與基因的活躍轉錄相關，而組蛋白修飾H3K9me3和H3K27me3則與基因沉默相關，雖然兩種組蛋白修飾的基因組分布很不相同，但在特定基因表達狀態切換的特殊時期兩種修飾存在基因組上的共定位。
H3K4me3和H3K27me3在胚胎幹細胞的基因組中存在共定位，這些二價修飾的基因組區域使發育關鍵基因處於蓄勢待發的「暫停」狀態，以便快速響應外界的分化信號。另有文獻報導，組蛋白修飾H3K4me3和H3K9me3在滋養層幹細胞（trophoblast stem cell，TSC）和胚外內胚層幹細胞（extraembryonic endoderm stem cell，XEN）的基因組上存在共定位並介導發育關鍵基因表達「暫停」狀態，儘管二價修飾所介導的基因調控事件非常重要，但這一過程中的下遊效應因子還很不清楚。
近日，清華大學結構生物學高精尖創新中心李海濤課題組針對此問題在Journal of Biological Chemistry雜誌發表了最新研究成果：「Molecular basis for histone H3 「K4me3-K9me3/2」 methylation pattern readout by Spindlin1」。這項工作發現Spindlin1可以以超強親和力識別組蛋白二價修飾H3「K4me3-K9me3/2」,複合物晶體結構表明，組蛋白修飾H3K4me3和H3K9me3/2可以同時被Spindlin1第二個和第一個Tudor結構域芳香籠識別。該識別事件使下遊基因表達處於一個「暫停」狀態，以便使基因快速激活或沉默，這一過程可能在胚胎發育早期細胞命運決定的關鍵基因以及對外界營養狀態敏感的rDNA基因的表達調控中發揮重要作用。
研究人員首先利用ITC技術體外測得Spindlin1對於H3「K4me3-K9me3」多肽的親和力為16nM，是目前已知的Spindlin1對各種組蛋白甲基化多肽的親和力中最強的一個。Spindlin1-H3「K4me3-K9me3/2」複合物結構表明，H3K4me3和H3K9me3/2分別被Spindlin1的第二個和第一個Tudor結構域識別。進一步的突變體實驗表明，第二個Tudor結構域對H3K4me3的識別主導了該結合事件，第一個Tudor結構域對H3K9me3/2的識別進一步增強了Spindlin1與組蛋白之間的相互作用。
體外結合實驗表明，其它H3K4me3的「閱讀器」對於H3K4me3的解離常數在微摩水平，且H3K9me3的存在會進一步減弱其親和力，相比之下，H3K9me3不僅不會減弱反而增強Spindlin1對組蛋白H3的親和力。ChIP-Seq實驗表明Spindlin1與H3「K4me3-K9me3」修飾存在兩種共定位模式，Spindlin1 與二價修飾集中分布於基因的啟動子區域，另一方面，Spindlin1可以識別H3K9me3廣泛存在的基因組區域中的H3K4me3，表明Spindlin1是一個異染色質的H3K4me3的「閱讀器」。值得一提的是，超過40%的共定位基因參與了基因轉錄調控過程，這些基因包括鋅指蛋白，表觀遺傳酶和效應因子等，另外其它共定位基因包括非編碼RNA和rDNA基因等。
Spindlin1識別組蛋白二價修飾介導基因表達「暫停」狀態
在胚胎早期發育細胞命運決定時期，H3K9me3介導的異染色質是細胞實現基因組重編程的主要「能壘」，研究人員認為，基因組重編程過程中，H3K9me3/2廣泛存在的異染色質區域可以被H3K4甲基轉移酶加上H3K4me3修飾，此時，組蛋白二價修飾H3「K4me3-K9me3/2」可以有效招募Spindlin1，進而使下遊基因表達處於「暫停」狀態，以便快速響應外界細胞分化或代謝信號。
綜上所述，該工作首次鑑定到Spindlin1是異染色質區域的H3K4me3的「閱讀器」，識別組蛋白雙修飾H3「K4me3-K9me3/2」。這一識別事件可能在胚胎發育早期細胞分化的關鍵基因和細胞核仁中rDNA基因的表達調控過程中發揮重要作用。
據悉，本研究在清華大學醫學院完成。李海濤教授為通訊作者，趙帆博士為第一作者。清華大學張奇偉課題組的劉雨楠同學完成了ChIP-Seq實驗數據分析工作。其中，蘇曉楠博士，宋雨桐同學對本工作有重要貢獻。該研究工作得到了清華大學高軍濤教授，NIH糖尿病研究所戈凱教授和Ji–Eun Lee博士的大力支持。同時，該課題也得到了上海同步輻射光源和清華大學X-ray晶體學平臺的大力協助。