Nature | 江浩团队揭示H3K27去甲基酶UTX通过相分离发挥抑癌作用的新机理

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组蛋白H3K27去甲基酶UTX（又名KDM6A）在多种癌症中出现突变，故而被认为是一种Pan-cancer抑癌分子。另一方面，UTX突变会导致生长发育疾病Kabuki综合症，被认为与胚胎发育和细胞命运决定相关。然而，大量研究表明去甲基酶这一生化属性并不是其发挥抑癌作用和小鼠胚胎发育所必须的， 所以关于UTX如何调控基因表达及其突变导致相关疾病的分子机理显得扑朔迷离。此外，UTX基因位于X染色体并且逃逸了X染色体的失活。它的Y染色体同源基因UTY具有较弱的去甲基化活性。许多研究发现，男性患癌比例比女性更高， 这对不少癌症而言原因不明。如果去甲基化活性不是促使UTX发挥抑癌作用的关键因素，还有什么机制导致了UTY抑癌效果不佳呢？

2021年9月15日，弗吉尼亚大学江浩团队在Nature杂志上发表文章UTX condensation underlies its tumour-suppressive activity，揭示了UTX 通过相分离这一生物物理属性凝聚MLL4和P300来实现对增强子处的表观遗传修饰（H3K4Me，H3K27Ac）以及染色质三维结构的改变（chromatin looping），从而调控基因表达，发挥其抑癌和维持正常发育的作用。并且， UTY凝聚体固化的物理属性导致其抑癌作用不及UTX。

研究人员发现UTX蛋白质序列中含有一段内在无序区（IDR），而高频出现的UTX突变体在该序列之前就已终止，这提示该IDR对于UTX的功能可能具有特殊的意义。体外表达纯化蛋白UTX-IDR以及细胞内外源表达ΔIDR突变体等实验表明该IDR可以介导UTX通过液液相分离形成蛋白质凝聚体（biocondensates）。功能试验表明， ΔIDR突变体不再抑制THP-1，Miapaca等癌细胞的生长和致癌性。通过对IDR中特殊氨基酸组成的改变以及互补嵌合型突变体的研究，研究人员进一步建立了UTX相分离与其发挥抑癌作用的正相关性。同时，研究人员通过CRISPR技术构建了UTX-ΔIDR小鼠胚胎干细胞系。超高分辨率显微成像显示，内源UTX以颗粒形式存在于细胞核中，并且在荧光漂白后能快速恢复，这与蛋白质凝聚体的特质十分符合。ΔIDR突变体的颗粒度明显下降，并且影响胚胎干细胞向中胚层分化，说明UTX相分离也调控着干细胞分化。

通过光控（Opto-genetics）、细胞内共表达以及纯化蛋白等实验，研究人员发现UTX结合蛋白MLL4和P300可以和UTX共存于同一蛋白凝聚体之中。而当IDR缺失后这些现象大大减弱。体外组蛋白甲基化实验表明，缺失IDR或者结合结构域TPR会显著降低核提取物的MLL3/4生化活性—H3K4单甲基转运，而互补嵌合型突变体则具有和完整UTX相当的能力。同样，IDR和TPR结构域对于UTX在细胞内发挥H3K27去甲基化的功能也十分重要。

基因组水平上的测序分析发现，UTX和MLL4/P300形成的共聚体改变了THP-1细胞中染色质的表观遗传修饰。ΔIDR影响了染色质上UTX结合处的H3K4Me1和H3K27Ac信号改变，这两者都是活跃增强子的标识。基于活化启动子和增强子的HiChIP分析发现，UTX的表达改变了染色质环化（chromatin looping）， 而这些变化有赖于IDR介导的相分离。这些looping增强处所激活的基因主要是应急和免疫反应相关基因，looping减弱处所抑制的基因和核糖体形成以及细胞分裂相关。这进一步解释了UTX凝聚体抑制肿瘤的分子机理。

有趣的是 ，基于UTY不同的IDR氨基酸序列构成，UTY的相分离能力比UTX更强， 形成的凝聚体更少液态性（表现在UTY的光漂白恢复能力以及扩散系数都要低于UTX）。功能实验表明UTY以及UTY嵌合UTX突变体的抑癌能力也要低于UTX, 而这可能因为UTY凝聚体内的分子运动和碰撞受限制。这一发现再次支持了江浩团队去年在Nature Cell Biology发表的论文观点（详见BioArt报道：NCB | 江浩团队揭示AKAP95可通过相分离调控基因剪接和肿瘤生成） --- 一些基因调控蛋白不仅需要相分离形成凝聚体， 还需要合适的凝聚体生物物理属性才有好的活性来调控基因表达以及癌症。

值得一提的是，在同期还有篇来自剑桥大学David Lara-Astiaso和Brian J. P. Huntly的News & Views文章Protein condensation enables chromatin control，对该篇文章进行了点评。

石碧、李薇、宋艳苏、王振佳博士为共同第一作者。加州大学尔湾分校的Michelle A. Digman和Enrico Gratton课题组 以及弗吉尼亚大学臧充之课题组（含王振佳博士）参与了本文章的合作。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03903-7