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摘要
在DNA复制阶段，染色质会被打乱，这影响了基因调控及细胞属性。本文通过定量基因组学检测整个细胞周期的H2A-H2B修饰和DNA复制期间的H2A.Z，揭示了亲代H2A-H2B的表观遗传传递现象，证明了H3-H4和H2A-H2B修饰之间出现的交集。
正文
基因表达的调节是一个高度复杂的、多层次的过程，它控制着细胞的属性。这种调节的一个主要组成部分是染色质，特定染色质状态的建立和维持对于确保细胞类型特异性基因表达程序至关重要。
下面简单介绍一下染色质的组成，以便大家更加了解原理。
染色质的一个基本组成部分是核小体，核小体是由一个中心的H3-H4四聚体和两个侧翼的H2A-H2B二聚体组成的八聚体，包装了146个碱基对的DNA。组蛋白PTMs长期以来被认为是表观遗传信息的一个有吸引力的来源，组蛋白H3-H4现在被认为是传递表观遗传记忆的一个中心单位。
随着研究的深入，到20世纪80年代有了开创性的突破：在DNA复制的过程中，旧的亲代组蛋白被回收到子链中，旧的H3-H4保持为四聚体，不与新的H3-H4组蛋白混合。而H2A-H2B二聚体则是新旧混合，与新的H3-H4组蛋白一同被发现。复制后，大部分回收的H3-H4四聚体留下，经历新旧交替的过程。因此，DNA复制过程中组蛋白回收的进一步表征几乎完全集中在H3-H4。
本文提到的“Recycling of modified H2A-H2B provides short-termmemory of chromatin states”于本月发表在Cell杂志上，探索了H2A-H2B再循环在表观基因组中的重要作用。提出在DNA复制过程中H2A-H2B提供的短期记忆指导了基于H3-H4的长期记忆的维持的重要观点。
结果
1.新生染色质中H2A-H2B修饰反映了亲代染色质状态
通过使用ChOR-seq技术，不同时期的mESCs在EdU作用下脉冲标记10min，随后用染色质免疫沉淀(ChIP)和分离EdU标记的DNA用于下一代测序，搞清楚H2A-H2B在DNA复制后的修饰是如何定位的。研究人员将H3K27me3作为参考修饰，因其在DNA复制过程中已知能够准确回收。通过对H2AK119ub1和H2A.Z的qChOR-seq和ChIP-seq信号比较，可以看出来，仅在复制叉10min后，新染色质上的占位模式反映了整个染色质关于信号位点和峰值周围的相关信号密度的广泛基因占位。
总的来说，以上结果表明H2A-H2B、H2A以及H2A.Z变体的修饰存在于新生染色质中，很大程度上反映了总染色质占有率，与H3-H4甲基化相似。
图1
2.亲代H2AK119ub1和H2BK120ub1在DNA复制过程中循环使用
已知H2A-H2B可以在DNA复制过程中回收。大约在生长素/dTAG处理80分钟的情况下，RING1B减少了95%，与此同时大约有25%的H2AK119ub1保留在染色质上。也就是说，新生H2AK119ub1水平会随着RING1B/BAP1的减少而降低。这表明，在DNA复制过程中，修饰的H2A-H2B的再循环是H2AK119ub1在染色质上的主要原因。
图2
在mESCs中，新生染色质至少在分叉传代后10分钟内是不可能出现的，而转录重启不可能解释复制后H2BK120ub1的立即出现，起码需要10分钟以上才能转录的较长基因在新生染色质中被H2BK120ub1标记。研究人员通过在EdU标记步骤中加入TPL，检测新生和总染色质中h2bk120ub1的丰度。TPL显著降低了转录起始位点(TSSs)的H2BK120ub1水平。结果表明：建立新生H2BK120ub1不需要转录重启，并且H2BK120ub1在DNA复制过程中是再循环的。
3.H2A-H2B在DNA复制过程中对称再循环，不依赖于H3-H4
为了探究回收的H2A-H2B在两条子链上的相关占位，研究人员使用了OK-seq来直接定位复制起始区的复制叉，使用SCAR-seq追踪亲本H2A-H2B对前导和滞后链的划分。以上经过分析表明了H2AK119Ub1在两条子链中几乎是对称性的被回收的。
那么是否H2A-H2B回收是由最近已经验证的H3-H4回收通路来调控的呢？通过两种蛋白，研究人员解决了这个疑问。POLE3/4是DNA聚合酶复合体ε的非催化成分，其缺失导致了H3K27me3对于偏向于滞后链的回收。MCM2是一种复制解旋酶，能够回收H3-H4到滞后链上。MCM2组蛋白结合结构域（MCM2-2A）的突变导致了H3K27me3前导链的极度不对称。这两个蛋白对H2BK119ub1的分离没有任何影响，说明了H2A-H2B和H3-H4不是同一个回收路径，有独立H2A-H2B的回收路径存在。
图3
4.DNA复制后H2A-H2B修饰恢复的精确又快速
为了进一步了解再循环和修复的准确性，研究人员研究了组蛋白PTM信号在TSS的特征，在DNA复制阶段，组蛋白的沉积会让NDRs被擦除，NDRs可能与新合成的组蛋白的复制偶联沉积有关。
H2A.Z、H2AK119ub1和H2AK20ub1快速恢复动力学显示，H2A.Z和H2BK120ub1在60-80分钟内恢复，H2AK119ub1在2小时内恢复，但H3K27me3需要10-12小时才能恢复——几乎是mESCs的一个完整细胞周期。
研究人员将恢复时间过程测量值与一级反应相拟合，还可以估计新生染色质上组蛋白修饰/变异的起始水平。H2A-H2B修饰、H2A.Z和H3K27me3的起始水平一般在25%-35%。在DNA复制期间，由于新组蛋白的沉积，所以组蛋白修饰起始水平是稀释了约2倍的样子。总的来说，研究人员的再修复分析表明，与转录活性以及抑制相关的H2A-H2B修饰准确定位于新生染色质中，其稳态水平在有丝分裂前以快速动力学恢复。
图4
5.H2A.Z和H2BK120ub1恢复与转录相关
研究人员根据复制后再修复时间筛选了峰值后发现，当其他蛋白需要大于60min修复时，H2A.Z很快时间便可达到峰值。快速修复的H2A.Z表明H3K4me3和H2BK120ub1的高稳态水平和增长的RNAPII占位一样。H2A.Z修复动力学时也出现了同样的趋势。
相反的是，H3K27me3或H2BK119ub1的存在与H2A.Z的延迟修复相关。在转录活性染色质中，H2A.Z修复被加速可能是转录重启的原因。H2A.Z也可以调控PRC2招募，循环的H2A.Z可能是占位符的功能来防止基因静默直到转录恢复。和H2A.Z相似，启动子的H2BK120ub1峰在高表达的基因中也会恢复更快，说明H2BK120ub1的恢复也是由转录重启控制的。H2BK120ub1信号会根据基因长度和结构的变化而变化，根据其与TSS的距离所分类的峰发现快速恢复的峰离TSS很近，而中间距离的恢复的会更慢一些。
以上结论总结可知，H2BK120ub1和H2A.Z景观在复制后2小时内恢复，类似于染色质可及性和RNAⅡ占据，与转录重启动作为主要驱动因素相一致。
图5
6.变体PRC1（vPRC1）位点表现出最快速的H2BK119ub1修复
通过高占用率位点(称为峰)和其他基因组区域之间的恢复动力学比较可知：H2AK119ub1峰比全基因组H2AK119ub1恢复得更快，排除跨基因组的背景信号时也是同样的结果。可以得知，H2AK119ub1的恢复并不均匀，而是在峰值区域加速。H2AK119ub1水平在与CpG岛和TSSs重叠的区域以最快的动力学速度恢复，并且峰中心比峰边界要快。
对与H2AK119ub1恢复相关的特征的进一步研究显示，H3K27me3占据率与H2AK119ub1的稳定性相关。然而，H3K27me3并不能加速H2AK119ub1的恢复。但不同PRC1亚单位如vPRC1和经典PRC1 (cPRC1)的占用区分了恢复动力学。
vPRC1包含四种PCGF蛋白1/3/5/6中的一种和H2BK119ub1阅读器RYBP，提供一个读写模块。cPRC1的特点是PCGF蛋白2/4和CBX蛋白，可读取H3K27me3，vPRC1的存在加速了H2AK119ub1的恢复动力学，这表明vPRC1对H2AK119ub1的读写潜力促进了H2AK119ub1恢复的最开始的一波。而新生H2AK119ub1高水平的峰比中等强度和低强度的峰恢复得更快。可以得出结论，H2AK119ub1恢复的快速首波发生在vpr C1-结合位点。
图6
7.与H2BK119ub1的串扰驱动H3K27me3的修复
接下来，研究人员讨论了回收和快速恢复2AK119ub1是否有助于恢复更稳定的H3K27me3。H2AK119ub1在快速恢复的H3K27me3结构域中富集。H3K27me3在DNA复制后非常不对称，使H3K27me3的读写机制偏向于前导链。但是，H3K27me3会随着时间的推移在滞后的链上逐渐恢复，这表明基于读写的传播并不是H3K27me3还原的唯一动力。在模仿处理的细胞中，H3K27me3不对称在复制后逐渐减少，反映了H3K27me3在滞后链上的建立。H2AK119ub1缺失严重延迟了复制后H3K27me3对称性的恢复，尤其是在第一个3小时内。相反，在这种情况下，在没有H2AK119ub1的位点，3K27me3的不对称性增加了复制后的效应。增加的不对称性表明前导链上的PRC2活性，可能将3K27me2转化为H3K27me3，比滞后链上组蛋白的修饰更有利。这表明H2AK119ub1不仅促进H3K27me3在H2AK119ub1修饰位点的后期复制，而且限制了可能导致H3K27me3不必要的新生沉积的假PRC2活性。
H2AK119ub1在子链上的占据很大程度上不受复制后CM2-2A细胞中H3K27me3强烈不对称的影响，这与H3K27me3在H2AK119ub1恢复中的有限作用一致。H3K27me3在H2AK119ub1恢复的慢波中起次要作用。与此相一致的是，不与cPRC1结合位点重叠的H2AK119ub1位点在MCM2-2A和WT细胞中具有相似性。
总之，追踪复制后H3-H4和H2A-h2b修饰的串扰揭示了H2BK119ub1指导H3K27me3的及时和准确恢复，而H3K27me3在H2BK119ub1恢复中的作用非常小。
图7
讨论
DNA复制期间H2A-H2B伴随其修饰循环使用
通过研究可以发现，由于与H3-H4相比，复制前后H2A-H2B交换率较高。利用与复制相关的高时间和空间分辨率技术研究发现H2A-H2B可以传递关于染色质水平的信息到新合成的DNA中，对染色质修复和表观遗传学细胞记忆有作用。
H2A-H2B以包含H2BK119ub1多梳蛋白结合域、TSS的界限划分H2A.Z和基因体的H2BK120ub1装饰为规则进行循环，这表明H2A-H2B循环是在全基因组范围内的。和H3-H4循环相似，亲代H2A-H2B也对两条子代链隔离。有趣的是，H2A-H2B回收机制很大程度上独立于H3-H4循环，POLA1在循环中可能充当普通组蛋白着陆点。POLA1的能力和H2A-H2B以及H3-H4均有关，而MCM2和POLA3/4是初始H3-H4的分子伴侣。这个模型也与果蝇骨髓干细胞的研究一致，H3-H4不对称地遗传给子代细胞，而H2A-H2B则没有。
研究人员估计H2A-H2B修饰的循环效能以及H3K27me3都很接近，而H2A.Z表现出了更低的循环效能。这表明H2A-H2B的回收效率与H3-H4相当，而H2A.Z回收可能效率稍低。
H2A-H2B短期记忆促进了复制后染色质的修复
基于H2AK119ub1的快速恢复动力学，研究人员认为H2BK119ub1的回收和快速恢复可以快速重建复制后的阻遏。H2A变异体macroH2A可能在组成型异染色质中起类似的作用。
复制后H2AK119ub1恢复的最快波发生在vPRC1结合位点，复制后不久，H2AK119ub1促进了H3K27me3的恢复动力学和准确性。这一发现解释了为什么RING1 A/B缺失时H3K27me3的缺失与细胞分裂相关。研究人员提出组蛋白PTM串扰对于复制后恢复染色质状态特别重要。H2AK119ub1的再循环在提供短期记忆复制后方面起着重要的作用。这样，对动态变化的短期记忆就可以反馈到由H3-H4变化提供的较慢的长期记忆的建立中。
早期的开创性工作发现，新的H3-H4主要与旧的H2A-H2B形成核小体，这与H2A-H2B再循环独立于H3-H4再循环是一致的。因此，H2A-H2B和H3-H4串扰复制后可以在相同的核小体内操作。经修饰的H2A-H2B的再循环可以嵌入新的H3-H4镜像复制前的状态并促进恢复。H2A-H2B的表观遗传功能是通过复制传递染色质状态，为H3-H4修饰的恢复提供信息，从而进行有丝分裂传递。
H2A-H2B活性状态的记忆
研究人员发现活性染色质修饰的修复与转录重启密切相关。H2A.Z和H2BK120ub1与活跃转录的染色质有关。然而，H2BK120ub1在长基因体中的恢复表明其恢复机制是不同于基因的RNAPII的。就活性染色质状态的恢复而言，解决复制后转录如何重新开始以及循环的H2A.Z和H2BK120ub1的短期记忆的作用将是重要的。
本期一问一答：
请判断以下说法是否正确：修饰后的H2A-H2B通过滞后链上的POLA1对称分离到子链上，这与H3-H4回收密切相关。
（A）正确；
（B）错误
责编：吕鉴可
