H3K27去甲基酶UTX通過相分離發(fā)揮抑癌作用的新機(jī)理

1、組蛋白H3K27去甲基酶UTX（又名KDM6A）在多種癌癥中出現(xiàn)突變，故而被認(rèn)為是一種Pan-cancer抑癌分子。另一方面，UTX突變會(huì)導(dǎo)致生長發(fā)育疾病Kabuki綜合癥，被認(rèn)為與胚胎發(fā)育和細(xì)胞命運(yùn)決定相關(guān)。然而，大量研究表明去甲基酶這一生化屬性并不是其發(fā)揮抑癌作用和小鼠胚胎發(fā)育所必須的， 所以關(guān)于UTX如何調(diào)控基因表達(dá)及其突變導(dǎo)致相關(guān)疾病的分子機(jī)理顯得撲朔迷離。此外，UTX基因位于X染色體并且逃逸了X染色體的失活。它的Y染色體同源基因UTY具有較弱的去甲基化活性。許多研究發(fā)現(xiàn)，男性患癌比例比女性更高， 這對不少癌癥而言原因不明。如果去甲基化活性不是促使UTX發(fā)揮抑癌作用的關(guān)鍵因素，還有什么

2、機(jī)制導(dǎo)致了UTY抑癌效果不佳呢？2021年9月15日，弗吉尼亞大學(xué)江浩團(tuán)隊(duì)在Nature雜志上發(fā)表文章UTX condensation underlies its tumour-suppressive activity，揭示了UTX 通過相分離這一生物物理屬性凝聚MLL4和P300來實(shí)現(xiàn)對增強(qiáng)子處的表觀遺傳修飾（H3K4Me，H3K27Ac）以及染色質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的改變（chromatin looping），從而調(diào)控基因表達(dá)，發(fā)揮其抑癌和維持正常發(fā)育的作用。并且， UTY凝聚體固化的物理屬性導(dǎo)致其抑癌作用不及UTX。研究人員發(fā)現(xiàn)UTX蛋白質(zhì)序列中含有一段內(nèi)在無序區(qū)（IDR），而高頻出現(xiàn)的UTX突變

3、體在該序列之前就已終止，這提示該IDR對于UTX的功能可能具有特殊的意義。體外表達(dá)純化蛋白UTX-IDR以及細(xì)胞內(nèi)外源表達(dá)IDR突變體等實(shí)驗(yàn)表明該IDR可以介導(dǎo)UTX通過液液相分離形成蛋白質(zhì)凝聚體（biocondensates）。功能試驗(yàn)表明， IDR突變體不再抑制THP-1，Miapaca等癌細(xì)胞的生長和致癌性。通過對IDR中特殊氨基酸組成的改變以及互補(bǔ)嵌合型突變體的研究，研究人員進(jìn)一步建立了UTX相分離與其發(fā)揮抑癌作用的正相關(guān)性。同時(shí)，研究人員通過CRISPR技術(shù)構(gòu)建了UTX-IDR小鼠胚胎干細(xì)胞系。超高分辨率顯微成像顯示，內(nèi)源UTX以顆粒形式存在于細(xì)胞核中，并且在熒光漂白后能快速恢復(fù)，這

4、與蛋白質(zhì)凝聚體的特質(zhì)十分符合。IDR突變體的顆粒度明顯下降，并且影響胚胎干細(xì)胞向中胚層分化，說明UTX相分離也調(diào)控著干細(xì)胞分化。通過光控（Opto-genetics）、細(xì)胞內(nèi)共表達(dá)以及純化蛋白等實(shí)驗(yàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)UTX結(jié)合蛋白MLL4和P300可以和UTX共存于同一蛋白凝聚體之中。而當(dāng)IDR缺失后這些現(xiàn)象大大減弱。體外組蛋白甲基化實(shí)驗(yàn)表明，缺失IDR或者結(jié)合結(jié)構(gòu)域TPR會(huì)顯著降低核提取物的MLL3/4生化活性H3K4單甲基轉(zhuǎn)運(yùn)，而互補(bǔ)嵌合型突變體則具有和完整UTX相當(dāng)?shù)哪芰ΑＭ瑯?，IDR和TPR結(jié)構(gòu)域?qū)τ赨TX在細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮H3K27去甲基化的功能也十分重要?；蚪M水平上的測序分析發(fā)現(xiàn)，UTX和

5、MLL4/P300形成的共聚體改變了THP-1細(xì)胞中染色質(zhì)的表觀遺傳修飾。IDR影響了染色質(zhì)上UTX結(jié)合處的H3K4Me1和H3K27Ac信號改變，這兩者都是活躍增強(qiáng)子的標(biāo)識?；诨罨瘑?dòng)子和增強(qiáng)子的HiChIP分析發(fā)現(xiàn)，UTX的表達(dá)改變了染色質(zhì)環(huán)化（chromatin looping）， 而這些變化有賴于IDR介導(dǎo)的相分離。這些looping增強(qiáng)處所激活的基因主要是應(yīng)急和免疫反應(yīng)相關(guān)基因，looping減弱處所抑制的基因和核糖體形成以及細(xì)胞分裂相關(guān)。這進(jìn)一步解釋了UTX凝聚體抑制腫瘤的分子機(jī)理。有趣的是 ，基于UTY不同的IDR氨基酸序列構(gòu)成，UTY的相分離能力比UTX更強(qiáng)， 形成的凝聚體更少液態(tài)性（表現(xiàn)在UTY的光漂白恢復(fù)能力以及擴(kuò)散系數(shù)都要低于UTX）。功能實(shí)驗(yàn)表明UTY以及UTY嵌合UTX突變體的抑癌能力也要低于UTX, 而這可能因?yàn)閁TY凝聚體內(nèi)的分子運(yùn)動(dòng)和碰撞受限制。這一發(fā)現(xiàn)再次支持了江浩團(tuán)隊(duì)去年在Nature Cell Biology發(fā)表的論文觀點(diǎn)（詳見BioArt報(bào)道：NCB | 江浩團(tuán)隊(duì)揭示AKAP95可通過相分離調(diào)控基因剪接和腫瘤生成）- 一些基因調(diào)控蛋白不僅需要相分離形成凝聚體， 還需要合適的凝聚體生物物理屬性才有好的活性來調(diào)控基因表達(dá)以及癌癥。值得一提的是，在同期還有篇來自劍橋大學(xué)David Lara-Astias