Nat Comm | 戈凯团队揭示BAF和MLL4的“双人舞蹈”

责编 | 酶美

核内染色质结构的动态变化对于真核生物发育过程中细胞特异转录增强子的激活以及基因表达至关重要。这一变化通常由转录因子及其招募的染色质调控蛋白，包括ATP依赖的染色质重塑复合物和组蛋白修饰酶等协同完成。SWI/SNF染色质重塑复合物具有独特的核小体剔除功能，能提高附近染色质的可及性。SWI/SNF复合物在多种细胞分化和组织发育过程中扮演重要作用，其亚基突变与20%的肿瘤发生密切相关。哺乳动物中SWI/SNF复合物存在三种不同的构型：BAF，PBAF和GBAF （也叫ncBAF） 。这三种复合物拥有相同的ATP水解酶亚基SMARCA4 （BRG1） 或SMARCA2 （BRM） ，但含有不同的附着组分并且靶标在基因组的不同位置。BAF主要富集在增强子附近并且对增强子激活不可或缺。对于这三种复合物在体内发育过程中如何进行分工，目前尚不明确。

组蛋白H3K4单甲基化 (H3K4me1) 是增强子的标志， 而活化的增强子更携带了组蛋白H3K27乙酰化 (H3K27ac) 标志。2011年，美国国立卫生研究院 （NIH） 戈凯实验室发现哺乳动物细胞中90%以上的H3K27ac是由组蛋白乙酰转移酶CBP/p300催化的 (Jin et al., EMBO J 2011) 。2013年，戈凯团队报道MLL3 （KMT2C） 和MLL4 （KMT2D） 是哺乳动物细胞中主要的H3K4me1甲基转移酶。MLL3/4对细胞分化过程中增强子激活，细胞特异性基因表达及细胞分化至关重要 (Lee et al., Elife 2013) 。在细胞分化过程中，MLL3/4被转录因子招募到增强子后，通过促进CBP/p300的结合，使附近区域加上H3K27ac修饰，驱动增强子的活化 (Lai et al., NAR 2017) 。进一步，在转录因子和CBP/p300的帮助下，含有乙酰化修饰阅读器的BRD4被招募到增强子区域，而依赖于BRD4的中介体 (Mediator) 复合体及转录机器的结合，最终促成了增强子相关分化基因的表达 (Lee et al., Nat Comm 2017) 。

戈凯实验室及合作团队证明了MLL3/4对于胚胎发育以及多种组织发育过程，包括脂肪、肌肉、心脏的分化发育至关重要。MLL3/4的突变也频繁见于多种肿瘤和发育疾病。尽管BAF与MLL3/4都是增强子激活所必须并且在发育过程中发挥重要作用，对于它们之间相互关系的研究一直存在争议。有文章报道H3K4me1标记的核小体能够富集BAF复合物的组分。而另一篇报道称BAF复合物靶向结合染色质并不依赖H3K4me1，在SMARCA4缺失的肿瘤细胞中表达外源SMARCA4能帮助MLL3/4的染色质结合及增强子修饰的建立。

近日，戈凯团队在Nature Communications杂志刊发了题为 Interplay of BAF and MLL4 promotes cell type-specific enhancer activation 的研究论文， 以脂肪细胞分化、脂肪组织发育和先锋转录因子C/EBPβ介导的增强子激活等多种模型充分探讨了BAF复合物的功能及其与MLL4在增强子激活过程中相互依赖相互促进的关系，为了解生物发育过程中染色质动态变化的机制提供了最新的观点。

首先，作者在脂肪前体细胞分化前和分化中进行ChIP-seq分析，验证了三种不同的SWI/SNF复合物在靶向结合基因组时拥有不同的特征：BAF以增强子为主，PBAF以启动子为主，而GBAF倾向于CTCF结合位点。这说明BAF是三种复合物中主要的增强子调控者。结合脂肪分化过程中种系决定转录因子LDTFs （Lineage-determining transcription factors） 和MLL4的ChIP-seq数据，作者发现BAF而不是PBAF同LDTFs和MLL4一道共定位在细胞特异的增强子上。作者通过从多种条件敲除小鼠及其分离的前体细胞中得到的表型和RNA-seq数据观察到，和MLL4类似，BAF复合物是脂肪组织发育和脂肪分化所必须的；而敲除PBAF特异的组分PBRM1并不影响体内体外的脂肪分化发育。这是对于不同SWI/SNF复合物在特定发育过程中差异性功能的首次报道。

然后，作者分别在未分化以及脂肪分化过程中用ChIP-seq和ATAC-seq技术探究MLL4和BAF在增强子上的相互关系。利用多种基因敲除 （BAF组分SMARCB1敲除和MLL4敲除） 或者蛋白降解系统 （AID-SMARCA4） ，作者在BAF和MLL4之间鉴定到一种双向的调控关系：无论是在分化前还是在分化中，BAF和MLL4能够相互调控对方在增强子上的结合。这种双向的调控关系又被两者之间的蛋白相互作用所进一步支持。

为了排除细胞分化过程中的一些次生效应对探究BAF和MLL4相互关系的影响，作者在MLL4条件敲除和SMARCA4诱导降解的脂肪前体细胞中引入外源性先锋因子C/EBPβ，在未分化细胞中观察在C/EBPβ所激活的增强子上BAF和MLL4的关系。数据显示BAF在C/EBPβ激活增强子上的结合需要MLL4，而反之亦然，说明BAF和MLL4在先锋因子直接介导的增强子激活过程中是相互依赖的。

综上所述， 本文为多种细胞状态下BAF和MLL4在细胞特异增强子上相互依赖的模型 (见下图) 提供了强有力的直接证据。

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戈凯博士1992年本科毕业于复旦大学生化系，1997年于中国科学院上海生化所获博士学位。2003年在洛克菲勒大学的 Robert Roeder 教授实验室结束博士后训练，任美国国立卫生研究院研究员，2011年晋升为终身研究员。戈凯实验室得到NIH长期支持，经费充足，实验条件优越，学术氛围浓厚。已培养出多位独立PI， 在国内的有浙江大学助理教授王超尘和庄乐南等。现招聘博士后一名，研究转录增强子的表观调控。年薪$55,000以上并提供全家医疗保险。

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参考文献：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-21893-y

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