DNA 甲基化是基因調(diào)控，器官發(fā)育和人類疾病緊密相關(guān)的一個(gè)重要染色質(zhì)修飾。人類基因組中～80% 的 CpG 存在著甲基化，這些甲基化是如何準(zhǔn)確的建立，維持和調(diào)控的仍然是領(lǐng)域內(nèi)的熱點(diǎn)之一。在常染色質(zhì) (euchromatin) 中，組蛋白的修飾被證明在招募 DNA 甲基化轉(zhuǎn)移酶 (DNA methltransferase, DNMT) 中起到關(guān)鍵的作用。例如，啟動(dòng)子中的 H3K4me3 會(huì)排斥起始性DNA 甲基化轉(zhuǎn)移酶 DNMT3A 和 DNMT3B【1】。另外，基因外顯子的 H3K36me3 在招募 DNMT3B 中起到積極作用【2,3】。關(guān)于內(nèi)顯子和基因間區(qū)段 (intergenic region) 的 DNA 甲基化調(diào)控機(jī)理則尚不清楚。

DNMT3A 在人類中存在生殖系突變，造成 Tatton-Brown Rahman Syndrome (TBRS) ，TBRS 的主要癥狀是身高過度增長(zhǎng)和智能障礙【4】。有意思的是，這些癥狀和 Sotos syndrome 有很大的相似度。Sotos syndrome （即小兒巨腦畸形綜合征） 是由 NSD1 的生殖系突變?cè)斐?。NSD1 是一個(gè)負(fù)責(zé) H3K36 二甲基化（H3K36me2 ）的組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶。這些遺傳學(xué)上的發(fā)現(xiàn)表明 NSD1 和 DNMT3A 可能會(huì)有機(jī)理上的關(guān)聯(lián)。

2019年9月5日，哥倫比亞大學(xué)路超研究組、洛克菲勒大學(xué)David Allis研究組、麥吉爾大學(xué)（McGill University）Jacek Majewski研究組以及清華大學(xué)李海濤研究組合作，在Nature雜志上發(fā)表了題為The histone mark H3K36me2 recruits DNMT3A andshapes the intergenic DNA methylation landscape的論文，通過 ChIP-seq 和全基因組重亞硫酸鹽測(cè)序（Whole Genome Bisulfite Sequencing ，WGBS) 額方法首次發(fā)現(xiàn)組蛋白修飾H3K36me2、DNA 甲基化和 DNMT3A 招募在基因組上存在正相關(guān)。該工作拓展了H3K36甲基化修飾和DNA甲基化修飾間的精確調(diào)控機(jī)制，對(duì)理解相關(guān)人類遺傳疾病的發(fā)生具有重要的生物學(xué)意義。

與之前報(bào)道【2,3】 的 H3K36me3 和 DNMT3B 不同，H3K36me2 和 DNMT3A 主要存在于活躍表達(dá)基因的基因間區(qū)段（intergenic DNA）。在小鼠胚胎干細(xì)胞中敲除H3K36me2甲基轉(zhuǎn)移酶 Nsd1 能在降低 H3K36me2 的同時(shí)降低基因間區(qū)段的 DNMT3A 定位和 DNA 甲基化。需要注意的是，敲除Nsd1 并不影響 H3K36me3 以及 DNMT3B 在 gene body 上的定位，表明這兩個(gè)通路是以獨(dú)立且互補(bǔ)的方式來(lái)建立常染色質(zhì)中的 DNA 甲基化格局。

從機(jī)制上講，之前的研究表明 DNMT3A/B 的 PWWP domain 能夠與 H3K36 甲基化相結(jié)合【5】。而最新的這項(xiàng)研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn) DNMT3A 對(duì)于 H3K36me2 的親和力比H3K36me3 更高。加上 H3K36me2 是一個(gè)比 H3K36me3 更豐富的修飾，這使得 H3K36me2 在和H3K36me3 的競(jìng)爭(zhēng)中成為招募 DNMT3A 更重要的因素。最后，研究人員分析了 TBRS 和 Sotos syndrome病人的 DNA 甲基化組數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)這兩種病人中的甲基化變化相似并且都表現(xiàn)為基因間區(qū)段 DNA甲基化降低。NSD1 在人類頭頸癌中存在大量突變【6】，同樣的 NSD1 突變的頭頸癌細(xì)胞和病人樣本有明顯的基因間區(qū)段 DNA 甲基化降低。

綜合上述發(fā)現(xiàn)，研究認(rèn)為 NSD1-DNMT3A 可能是基因間區(qū)段 DNA 甲基化的一個(gè)重要通路。并且，基因間區(qū)段DNA 甲基化變化可能是造成人類兒童過度增長(zhǎng)疾病和頭頸癌的一個(gè)分子機(jī)制。同時(shí)，還有一些重要的問題需要更多工作來(lái)解決：DNMT3A 和 DNMT3B 的 PWWP domain 是怎么識(shí)別 H3K36me2 和H3K36me3 這兩個(gè)高度相似的修飾的？H3K36me2 對(duì)于 DNA 維持甲基酶 DNMT1 是否有影響？在基因間區(qū)段，那些調(diào)控元件（增強(qiáng)子，絕緣子，重復(fù)序列）的活性受到 NSD1-DNMT3A 的調(diào)控？這些問題的答案可以讓我們對(duì)非編碼基因組的表觀遺傳調(diào)控有更深的理解。

朱冰（中科院生物物理研究所研究員）

DNA甲基化、組蛋白修飾等各種染色質(zhì)修飾間的相互調(diào)控作用是表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)長(zhǎng)期研究對(duì)象，目前也已經(jīng)有了大量的相關(guān)發(fā)現(xiàn)。例如DNA甲基化能招募組蛋白去乙酰化酶；Polycomb修飾（H3K27三甲基化，H2A單泛素化）與DNA甲基化、H3K36甲基化互斥；DNA甲基化與H3K9甲基化協(xié)同存在；組蛋白H3K4三甲基化拮抗DNA甲基化等等。本研究則細(xì)致分析了組蛋白H3K36二、三甲基化對(duì)DNA甲基化酶DNMT3A的差異性調(diào)控作用。在此研究之前，已經(jīng)知道組蛋白H3K36甲基化修飾可以招募DNMT3A和DNMT3B，促進(jìn)DNA甲基化在特定區(qū)域的發(fā)生。H3K36二、三甲基化在基因組上的分布不同，H3K36三甲基化主要存在于活躍轉(zhuǎn)錄的基因上，而H3K36二甲基化大量存在于基因間區(qū)，其主要修飾酶NSD1的表達(dá)不足會(huì)導(dǎo)致Sotos綜合征，NSD1突變也在腫瘤中頻發(fā)。然而，H3K36二、三甲基化是否對(duì)DNA甲基化酶有差異性調(diào)控尚不明晰。本研究揭示DNMT3A優(yōu)先選擇H3K36二甲基化區(qū)域，促進(jìn)基因間區(qū)的DNA甲基化，并且Sotos綜合征病人的血樣和NSD1突變腫瘤中都出現(xiàn)了基因間區(qū)DNA甲基化的選擇性丟失。這一工作對(duì)H3K36甲基化修飾和DNA甲基化修飾間的調(diào)控作用做出了新的拓展，并且這一機(jī)制在疾病發(fā)生過程中有著潛在的生物學(xué)意義。

1. Ooi, S. K. T. et al. DNMT3L connects unmethylated lysine 4 of histone H3 to de novo methylation of DNA. Nature 448, 714–717 (2007).

2. Baubec, T. et al. Genomic profiling of DNA methyltransferases reveals a role for DNMT3B in genic methylation. Nature 520, 243–247 (2015).

3. Morselli, M. et al. In vivo targeting of de novo DNA methylation by histone modifications in yeast and mouse. eLife 4, (2015).

4. Tatton-Brown, K. et al. Mutations in Epigenetic Regulation Genes Are a Major Cause of Overgrowth  with Intellectual Disability. The American Journal of Human Genetics 100, 725–736 (2017)

5. Dhayalan, A. et al. The Dnmt3a PWWP Domain Reads Histone 3 Lysine 36 Trimethylation and Guides  DNA Methylation. J. Biol. Chem. 285, 26114–26120 (2010).

6. Papillon-Cavanagh, S. et al. Impaired H3K36 methylation defines a subset of head and neck squamous  cell carcinomas. Nat. Genet. 49, 180–185 (2017)