文献速递 | DNA甲基化调控作用的近期进展

背景

TET双加氧酶家族在细胞分裂和谱系规范过程中保持稳定的局部 DNA 去甲基化。作为 TET 酶的主要催化产物，5-羟甲基胞嘧啶以组织依赖性方式选择性地富集在特定基因组区域，如增强子，但这种选择性的内在机制仍未明确。近期在Nature Cell Biology上发表的文章Perturbing TET2 condensation promotes aberrant genome-wide DNA methylation and curtails leukaemia cell growth （Nat Cell Biol, 2024）表明，干扰TET2 凝聚会促进异常的全基因组 DNA 甲基化并抑制白血病细胞生长。

研究人员发现，TET2 中的一个低复杂性插入结构域，能够促进 TET2 与表观遗传调节剂（如 UTX 和 MLL4）的生物分子凝聚。这种共凝聚为 DNA 的精确去甲基化创造了有利的染色质环境。破坏低复杂性插入介导的凝聚会改变 TET2 的基因组结合，从而导致杂乱的 DNA 去甲基化和基因组重组。这些变化会影响与白血病发生有关的关键基因的表达，从而抑制白血病细胞的增殖。总之，TET2凝聚在协调DNA去甲基化和基因转录以支持肿瘤细胞生长中起关键作用。

在这项研究中，作者发现了TET2的液态凝聚特性，该特性控制其靶向基因组识别并维持适当的DNA去甲基化。研究人员在TET2催化结构域 （TET2CD）内确定了一个低复杂性插入片段（LCI）区域，使其能够与表观遗传调节剂共凝聚，例如普遍转录的X染色体上四肽重复序列（UTX） 和混合谱系白血病4（MLL4），从而确保其在适当的染色质区域结合。TET2凝聚的破坏对其催化功能的影响很小，但极大影响DNA去甲基化的准确性，导致全基因组范围内的混杂DNA去甲基化。TET2凝聚物的溶解可抑制白血病细胞增殖，阻碍白血病进展。该研究揭示了形成DNA甲基化和去甲基化景观的生物分子凝聚机制，这是一个对肿瘤细胞生存不可或缺的过程。TET2凝聚体的破坏最终导致混杂的DNA去甲基化和白血病细胞增殖的抑制，与白血病患者中低甲基化药物治疗的效果相似。

图 1：TET2 通过其 LCI 结构域形成凝聚物

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41556-024-01496-7

免疫检查点阻断(ICB)已成为肝细胞癌(HCC)的一种有前景的治疗选择，但ICB会产生耐药，且患者的应答存在差异。近期在Nature Communications上发表的文章Targeting PRMT3 impairs methylation and oligomerization of HSP60 to boost anti-tumor immunity by activating cGAS/STING signaling. (Nat Commun, 2024)， 确定了蛋白质精氨酸甲基转移酶3 (PRMT3)作为一种潜在的生物标志物和治疗靶点来克服HCC的免疫治疗耐药。

研究人员发现，PRMT3是肝癌免疫治疗耐药的驱动因子。ICB激活的T细胞通过干扰素γ (IFNγ)-STAT1信号通路诱导PRMT3的表达，较高的PRMT3表达水平与肿瘤浸润的CD8+ T细胞数量减少和对ICB反应较差相关。在肝细胞癌小鼠模型中，基因缺失或药物抑制PRMT3可诱导T细胞流入肿瘤并减少肿瘤大小。机制上，PRMT3在R446位点甲基化HSP60，诱导HSP60寡聚化，并维持线粒体稳态。靶向prmt3依赖的HSP60甲基化破坏线粒体完整性，增加线粒体DNA (mtDNA)渗漏，从而导致cGAS/ sting介导的抗肿瘤免疫。最后，在肝癌小鼠模型中，阻断PRMT3功能与阻断PD-1有协同作用。通过全基因组转录组学，研究确定PRMT3是HCC免疫治疗耐药的关键驱动因素。此外，将干扰素γ (IFNγ)-STAT1途径诱导的PRMT3表达作为抗PD-1治疗的适应性反应；PRMT3诱导HSP60的甲基化，抑制cGAS/STING通路的激活，这是HSP60寡聚化所必需的，也是线粒体稳态所必需的。靶向 PRMT3 可能是改善 HCC 对 ICB 反应的有效方法。

图 2：抗 PD1 疗法诱导的效应 T 细胞通过 IFNγ-STAT1 依赖性途径上调 PRMT3 表达

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-52170-3

星形胶质细胞是哺乳动物大脑中最丰富的细胞类型，为神经元提供结构支持，维持新陈代谢，调节突触功能，并大脑受损或疾病状态下发生反应性变化。然而，一小部分定位在成人大脑特定区域的星形胶质细胞，具有类似神经干细胞的能力，能分化成神经元和胶质细胞。普通实质星形胶质细胞和静止神经干细胞尽管功能截然不同，但却在转录组上高度相似。因此，干细胞活性的分子编码方式仍是未解之谜。近期发表在Nature上的文章DNA methylation controls stemness of astrocytes in health and ischaemia (Nature, 2024) 表明，两类细胞的功能差异在于DNA的甲基化模式。

研究人员分析了健康和缺血小鼠的星形胶质细胞和神经干细胞基因表达和甲基化模式，揭示了DNA甲基化在星形胶质细胞向神经干细胞转化中的关键作用。神经干细胞的功能由星形胶质细胞基因的甲基化和随后表达的干细胞基因的去甲基化所介导。这一过程在大脑缺血等损伤修复中至关重要。靶向 DNA 甲基化以获得神经干细胞或星形胶质细胞特征为修复患病神经系统或对抗癌症提供了潜在的治疗途径。

图 3：尽管基因表达相似，但神经干细胞具有独特的甲基化组，使其有别于其他星形胶质细胞

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07898-9

DNA甲基化是建立细胞类型特异性特征的重要表观遗传修饰。然而，在脂肪形成过程中，DNA甲基化如何选择性地在脂肪细胞特异性位点被重编程尚不清楚。之前发表在Nature Metabolism 上的文章Targeted erasure of DNA methylation by TET3 drives adipogenic reprogramming and differentiation（Nat Metab, 2022, 4, 918–931）证明了转录因子C/EBPδ和DNA甲基化擦除蛋白TET3协同控制脂肪细胞分化。

研究人员进行了全基因组测序，以探索DNA甲基化在脂肪细胞分化中的动态变化和调控机制。在脂肪形成过程中，携带C/EBP结合基序的脂肪细胞特异性位点的DNA甲基化选择性降低，这与脂肪形成启动子和增强子的活性相关。机制上，研究人员发现C/EBPδ招募DNA甲基化擦除蛋白TET3来催化C/EBP结合基序处的DNA去甲基化，并刺激关键成脂基因的表达。TET3的异位表达增强了体外和体内脂肪细胞分化，并恢复了在老年小鼠和人类中观察到的下调的脂肪形成潜能。研究表明，成脂转录因子 C/EBPδ 和 DNA 甲基化擦除蛋白 TET3 通过在发育和衰老后建立脂肪细胞特异性 DNA 甲基化模式来协同控制脂肪细胞分化。

图 4：TET3 通过促进 C/EBP 结合基序的 DNA 去甲基化来促进体内脂肪生成

原文链接：https://doi.org/10.1038/s42255-022-00597-7