撰文 | Qi

发育过程中新细胞命运的出现是由组织特异性转录因子（TF）与染色质和染色质调节因子的复杂相互作用所驱动的动态基因表达变化所致。已有工作表明bHLH转录因子作为最强大的神经元诱导剂，甚至可以从不相关谱系（如成纤维细胞）成功诱导功能性神经元【1, 2】。在这种情况下，bHLH基因家族中的Ascl1可以作为一个“靶向”先驱因子，结合其闭合的染色质上的生理靶位点，启动快速的局部和全基因组染色质变化【3, 4】。然而，人们对于这些因子究竟如何启动染色质变化，最终导致神经元转录程序和细胞身份的机制仍不清楚。

2022年11月22日，来自斯坦福大学医学院的Marius Wernig团队在Molecular Cell杂志上发表了一篇题为 Tip60-mediated H2A.Z acetylation promotes neuronal fate specification and bivalent gene activation 的文章，他们使用一种无偏差的蛋白质组学方法来表征介导神经元细胞命运诱导的染色质调节剂，发现Tip60乙酰转移酶对于通过组蛋白变体H2A.Z的乙酰化部分建立神经元细胞身份至关重要，并且它是选择性地激活由二价染色质特征标记的沉默的、谱系限制的基因子集所必需的。总之，这项结果阐明了二价染色质激活的潜在机制，并揭示了H2A.Z乙酰化通过建立二价基因激活和细胞谱系转变的表观遗传能力来调节神经元命运。

为了鉴定神经元身份确定的关键染色质因子，作者在小鼠MEFs细胞中鉴定与Ascl1、Brn2 和 Myt1l三种因子（联合表达可以诱导神经元）直接相关的蛋白质。质谱结果结合已有的BioGRID数据库进行GO分析发现其中一个模块富集与组蛋白乙酰化的相关内容，其中Tip60和Mof是已知的和神经发育障碍和细胞命运转变相关的乙酰转移酶，因而作者继续探索它们在神经元诱导中的作用。RNAi介导的Tip60敲低会显著损害神经元形成，为了确认发挥这一功能的机制，作者引入一系列破坏Tip60特定结构域的突变，发现只有破坏乙酰转移酶或染色质结构域的突变才能消除Tip60功能。之前的工作认为H4和H2A组蛋白是酵母和哺乳动物中的主要Tip60靶标【5, 6】，作者在此发现Tip60耗尽后H2A.Zac几乎完全丧失，于是作者想知道H2A.Zac在神经发生中的功能。H2A.Z RNAi对神经元形成具有剂量依赖性抑制作用，而生成抗乙酰化的H2A.Z突变体也能够显著损害神经元形成。这些数据说明由Tip60介导的H2A.Z乙酰化对于正确的神经元细胞命运诱导至关重要。

随后，作者使用Cut&Tag获得Tip60、H2A.Z和H2A.Zac的全基因组占据概况。在成纤维细胞中，Tip60和H2A.Zac在活性启动子处表现出最高的富集。作者想知道Tip60在其靶位点的直接分子作用，值得注意的是，Ascl1主要结合远端增强子，提示Ascl1将Tip60募集到染色质上。为了确认Tip60 RNAi是否影响神经元诱导期间的Ascl1活动，作者检查了一组Ascl1核心靶基因的表达，其中只有一部分未被正确诱导（“off”基因），而在成纤维细胞中活跃并表达的“on”基因在很大程度上不受Tip60 RNAi的影响。为了了解Tip60如何调节“off”基因，作者将Tip60和H2A.Zac占据与“on”或“off”Ascl1靶基因的增强子和启动子的其他染色质特征进行了比较。结果显示，Tip60的失活干扰了“off”基因启动子上H3K4me3积累，而它对“on”基因启动子上的H3K4me3没有影响。因此，Tip60介导的H2A.Zac对于启动子H3K4me3的增加和“off”类基因的重要子集的转录激活是必需的。

作者接下来试图探索特定染色质特征是否与Tip60/H2A.Zac依赖性基因调控相关。作者发现同时存在H3K4me3（激活性）和H3K27me3（抑制性）的二价启动子特征。二价基因 Miat的Tip60/H2A.Zac依赖性激活对于正确的神经元诱导至关重要。作者想知道二价基因子集的失败激活是否可以解释神经元命运诱导的强烈抑制，作者发现受Tip60缺失影响最严重的基因在转录起始位点处显示出最高的 H3K27me3:H3K4me3 比率，此外，Tip60耗尽基本消除了Miat启动子处的转录激活和H3K4me3积累。与此同时，乙酰化抗性 H2A.ZKR的表达干扰了Miat的诱导，表明Tip60依赖性H2A.Zac是正确激活Miat所必需的。重要的是，RNAi介导的Miat敲低触发了神经元形成的剂量依赖性抑制，表明Miat对神经元诱导很重要。

总之，这项工作确定了Tip60介导的H2A.Zac在神经元细胞命运诱导过程中二价基因激活中以前未知的功能。Tip60已被证明可以调节多种细胞类型中的细胞身份，因此，这项工作提出了一种可能性，即Tip60/H2A.Zac依赖的二价染色质调节机制不仅在神经元命运诱导中发挥至关重要的作用。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2022.11.002

参考文献

1. Chanda, S., Ang, C.E., Davila, J., Pak, C., Mall, M., Lee, Q.Y., Ahlenius, H., Jung, S.W., Sudhof, T.C., and Wernig, M. (2014). Generation of € induced neuronal cells by the single reprogramming factor ASCL1. Stem Cell Rep. 3, 282–296. https://doi.org/10.1016/j.stemcr.2014.05.020.

2. Vierbuchen, T., Ostermeier, A., Pang, Z.P., Kokubu, Y., Sudhof, T.C., and € Wernig, M. (2010). Direct conversion of fibroblasts to functional neurons by defined factors. Nature 463, 1035–1041. https://doi.org/10.1038/ nature08797.

3. Wapinski, O.L., Lee, Q.Y., Chen, A.C., Li, R., Corces, M.R., Ang, C.E., Treutlein, B., Xiang, C., Baubet, V., Suchy, F.P., et al. (2017). Rapid chromatin switch in the direct reprogramming of fibroblasts to neurons. Cell Rep. 20, 3236–3247. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2017.09.011.

4. Wapinski, O.L., Vierbuchen, T., Qu, K., Lee, Q.Y., Chanda, S., Fuentes, D.R., Giresi, P.G., Ng, Y.H., Marro, S., Neff, N.F., et al. (2013). Hierarchical mechanisms for direct reprogramming of fibroblasts to neurons. Cell 155, 621–635. https://doi.org/10.1016/j.cell.2013.09.028.

5. Altaf, M., Auger, A., Monnet-Saksouk, J., Brodeur, J., Piquet, S., Cramet, M., Bouchard, N., Lacoste, N., Utley, R.T., Gaudreau, L., et al. (2010). NuA4-dependent acetylation of nucleosomal histones H4 and H2A directly stimulates incorporation of H2A.Z by the SWR1 complex. J. Biol. Chem. 285, 15966–15977. https://doi.org/10.1074/jbc.M110.117069.

6. Li, Z., and Rasmussen, L.J. (2020). TIP60 in aging and neurodegeneration. Ageing Res. Rev. 64, 101195. https://doi.org/10.1016/j.arr.2020. 101195.

想了解更多精彩内容，快来关注BioArt生物艺术