Molecular Cell：NSD1不依赖酶活性促进基因转录的功能

2023年7月3日，美国纪念斯隆凯特琳癌症中心（Memorial Sloan Kettering Cancer Center, MSKCC）Kristian Helin研究组在Molecular Cell发表文章Chromatin regulation of transcriptional enhancers and cell fate by the Sotos syndrome gene NSD1，揭示了NSD1不依赖酶活性促进基因转录的功能并且阐释了NSD1对细胞分化的影响，增进了对NSD1参与Sotos综合征病理机制的理解。

作者们以小鼠胚胎干细胞（ESC）为模型，首先通过基因敲除和靶向蛋白降解（dTAG）的方法，发现Nsd1敲除或降解可以消除细胞内几乎全部的H3K36me2，证明了NSD1为胚胎干细胞中的决定性H3K36me2催化酶。NSD1的基因组分布仍然未知，作者们通过CUT&RUN技术发现NSD1和H3K36me2富集于活跃增强子区域，并且在胚胎干细胞向上胚层干细胞（EpiSC）分化过程中它们的分布变化与增强子活性变化紧密相关。NSD1有多个与染色质结合相关的结构域，然而它们的功能仍不清楚。作者们通过在NSD1敲除的胚胎干细胞表达一些列NSD1突变体，发现一个由四联PHD（PHD1-4）和临近PWWP2结构域构成的功能区域（qPHD-PWWP module）对NSD1的染色质结合及增强子富集有关键作用。作者们进一步通过生化互作实验发现该功能区域可结合H3K18ac修饰的核小体。细胞内的H3K18ac由富集于增强子的乙酰化酶p300/CBP催化且与NSD1同样富集于活跃增强子区域。值得注意的是，Sotos综合征相关的NSD1错意突变在该qPHD-PWWP区域集中分布，并且作者们发现位于qPHD-PWWP区域的Sotos突变会引起NSD1染色质和增强子的结合障碍以及细胞内H3K36me2的缺失。

为了进一步研究NSD1和H3K36me2缺失对组蛋白和DNA修饰的影响，作者们通过基因组编辑在内源Nsd1位点插入蛋白降解序列（dTAG）以实现快速NSD1诱导降解 – 诱导分子dTAG-13处理1小时即可引起近乎完全的NSD1降解。H3K36me2在处理6小时后有显著下降（大于50%）并于18-24小时近乎完全消失。值得注意的是，NSD1降解在至少24小时内（24-72小时）不影响H3K27me3和DNA甲基化，虽然作者们与之前报道同样发现NSD1/H3K36me2长时间缺失缺失（如在基因敲除或长时间dTAG-13处理的情况下）可引起H3K27me3的增加和DNA甲基化的减少。利用该具有高时间分辨率的系统，作者们进一步研究了NSD1降解在短时程内对基因转录的直接影响。通过SLAM-seq新生RNA分析技术，作者们发现NSD1降解6小时以内即会引起广泛的基因转录下调，而几乎没有基因表达上调。值得注意的是，转基因表达的缺失H3K36me2催化活性的NSD1突变体与野生型NSD1同样可以挽救内源NSD1降解引发的基因转录下调，说明NSD1存在不依赖酶活性的转录促进功能。与其形成鲜明对比的是，利用同样系统诱导SETD2（H3K36me3催化酶）降解只能引发少量基因的差异表达（上调或下调）。作者们近一步发现，NSD1降解（6小时）引发增强子活性下降和RNA聚合酶由启动子附近暂停区域向转录延伸区域的释放发生障碍，并且发现延伸因子SPT5（DSIF复合体亚基）在增强子和基因区域的结合显著下调。

最后，作者们研究了NSD1缺失或突变对胚胎干细胞分化过程中基因表达的影响。利用类胚体（embryoid body）分化，作者们发现NSD1降解导致内、中、外三个胚层分化相关基因表达下调和相关增强子激活障碍，并且受影响基因相关的生物学过程与Sotos综合征的病理特征相符。由于Sotos综合征患者表现智力发育障碍，作者们利用定向前脑类器官分化技术发现NSD1降解引发神经分化障碍。作者们进一步发现qPHD-PWWP区域缺失或位于该区域的Sotos相关突变也会引发显著分化基因激活障碍。

该工作发现NSD1为一个新的转录增强子调控蛋白，并揭示了其调控基因表达和细胞分化的机制。值得注意的是，该工作揭示了NSD1与MLL3/4（H3K4me1催化酶）功能上的相似性：1）均催化低程度甲基化（一或二甲基化）；2）均调控增强子功能且可通过不依赖酶活性方式调节基因转录；3）均影响RNA聚合酶从启动子暂停状态释放进入转录延伸的过程；4）均为胚胎干细胞分化必须的因子【10-12】。该工作的发现也提示组蛋白修饰酶可能广泛存在非酶促活性依赖的基因转录调节功能，从而需要在将来的研究中仔细发掘该类功能并阐释它们的具体机制。最后，该工作也提示可利用基因编辑和干细胞分化技术体外模拟Sotos综合征并研究其病理机制。

美国纪念斯隆凯特琳癌症中心的孙稹博士（目前为Charles Sawyers实验室博士后研究员）为本文的独立第一作者和共同通讯作者，Kristian Helin教授（现为英国癌症研究院（Institute of Cancer Research, ICR）首席执行官兼主席）为共同通讯作者。该工作也得到了纪念斯隆凯特琳癌症中心Charles Sawyers教授（人类肿瘤及病理学系(HOPP)主任及霍华德休斯研究员）及合作者们的大力支持。孙稹博士的工作受到Edith C. Blum Foundation和MSKCC Functional Genomics Initiative的支持。孙稹博士在2023年6月的国际干细胞研究学会年会（ISSCR 2023）上首次正式报道这一工作。

孙稹博士于西奈山医学院（Icahn School of Medicine at Mount Sinai）获得博士学位，师从Emily Bernstein教授从事组蛋白变体的研究（Sun et al. Nat Struct Mol Biol, 2018【13】）。他于2019年加入纪念斯隆凯特琳癌症中心Kristian Helin实验室开始博士后研究，并于2021年（Kristian Helin教授迁至英国）加入同一中心的Charles Sawyers实验室，目前从事染色质和转录调控在前列腺癌中的功能研究。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.molcel.2023.06.007

文献参考：

1. Wagner, E.J., and Carpenter, P.B. (2012). Understanding the language of Lys36 methylation at histone H3. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 13, 115–126. 10.1038/nrm3274.

2. Schmitges, F.W., Prusty, A.B., Faty, M., Stützer, A., Lingaraju, G.M., Aiwazian, J., Sack, R., Hess, D., Li, L., Zhou, S., et al. (2011). Histone Methylation by PRC2 Is Inhibited by Active Chromatin Marks. Mol. Cell 42, 330–341. 10.1016/j.molcel.2011.03.025.

3. Yuan, W., Xu, M., Huang, C., Liu, N., Chen, S., and Zhu, B. (2011). H3K36 methylation antagonizes PRC2-mediated H3K27 methylation. J. Biol. Chem. 286, 7983–7989. 10.1074/jbc.M110.194027.

4. Weinberg, D.N., Papillon-Cavanagh, S., Chen, H., Yue, Y., Chen, X., Rajagopalan, K.N., Horth, C., McGuire, J.T., Xu, X., Nikbakht, H., et al. (2019). The histone mark H3K36me2 recruits DNMT3A and shapes the intergenic DNA methylation landscape. Nature 573, 281–286. 10.1038/s41586-019-1534-3.

5. Chen, H., Hu, B., Horth, C., Bareke, E., Rosenbaum, P., Kwon, S.Y., Sirois, J., Weinberg, D.N., Robison, F.M., Garcia, B.A., et al. (2022). H3K36 dimethylation shapes the epigenetic interaction landscape by directing repressive chromatin modifications in embryonic stem cells. Genome Res. 32, 825–837. 10.1101/gr.276383.121.

6. Streubel, G., Watson, A., Jammula, S.G., Scelfo, A., Fitzpatrick, D.J., Oliviero, G., McCole, R., Conway, E., Glancy, E., Negri, G.L., et al. (2018). The H3K36me2 Methyltransferase Nsd1 Demarcates PRC2-Mediated H3K27me2 and H3K27me3 Domains in Embryonic Stem Cells. Mol. Cell 70, 371-379.e5. 10.1016/j.molcel.2018.02.027.

7. Jani, K.S., Jain, S.U., Ge, E.J., Diehl, K.L., Lundgren, S.M., Müller, M.M., Lewis, P.W., and Muir, T.W. (2019). Histone H3 tail binds a unique sensing pocket in EZH2 to activate the PRC2 methyltransferase. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 116, 8295–8300. 10.1073/pnas.1819029116.

8. Finogenova, K., Bonnet, J., Poepsel, S., Sch?fer, I.B., Finkl, K., Schmid, K., Litz, C., Strauss, M., Benda, C., and Müller, J. (2020). Structural basis for PRC2 decoding of active histone methylation marks H3K36me2/3. Elife 9, 1–30. 10.7554/eLife.61964.

9. Huang, N., Vom Baur, E., Garnier, J.M., Lerouge, T., Vonesch, J.L., Lutz, Y., Chambon, P., and Losson, R. (1998). Two distinct nuclear receptor interaction domains in NSD1, a novel SET protein that exhibits characteristics of both corepressors and coactivators. EMBO J. 17, 3398–3412. 10.1093/emboj/17.12.3398.

10. Rickels, R., Herz, H.M., Sze, C.C., Cao, K., Morgan, M.A., Collings, C.K., Gause, M., Takahashi, Y.H., Wang, L., Rendleman, E.J., et al. (2017). Histone H3K4 monomethylation catalyzed by Trr and mammalian COMPASS-like proteins at enhancers is dispensable for development and viability. Nat. Genet. 49, 1647–1653. 10.1038/ng.3965.

11. Dorighi, K.M., Swigut, T., Henriques, T., Bhanu, N. V., Scruggs, B.S., Nady, N., Still, C.D., Garcia, B.A., Adelman, K., and Wysocka, J. (2017). Mll3 and Mll4 Facilitate Enhancer RNA Synthesis and Transcription from Promoters Independently of H3K4 Monomethylation. Mol. Cell 66, 568-576.e4. 10.1016/j.molcel.2017.04.018.

12. Xie, G., Lee, J.-E., Senft, A.D., Park, Y.-K., Jang, Y., Chakraborty, S., Thompson, J.J., McKernan, K., Liu, C., Macfarlan, T.S., et al. (2023). MLL3/MLL4 methyltransferase activities control early embryonic development and embryonic stem cell differentiation in a lineage-selective manner. Nat. Genet., 2020.09.14.296558. 10.1038/s41588-023-01356-4.

13. Sun, Z., Filipescu, D., Andrade, J., Gaspar-Maia, A., Ueberheide, B., and Bernstein, E. (2018). Transcription-associated histone pruning demarcates macroH2A chromatin domains. Nat. Struct. Mol. Biol. 25, 958–970. 10.1038/s41594-018-0134-5.