研究揭示CpG岛结合蛋白BEND3调控分化过程中二价基因转录的功能

2月10日，中国科学院生物物理研究所朱冰课题组与许瑞明课题组合作，在《科学》（Science）上，在线发表了题为Highly enriched BEND3 prevents the premature activation of bivalent genes during differentiation的研究论文，报道了CpG岛结合蛋白BEND3在二价基因上的高度富集，可以防止这些基因在分化过程中过早激活。

CpG岛是脊椎动物基因组上的重要调控序列，富含非甲基化的CpG二核苷酸，常出现在活跃的管家基因（housekeeping genes）以及发育相关的二价基因（bivalent genes）的启动子区域。2021年，瑞士弗里德里希·米歇尔生物医学研究所Dirk Schübeler课题组发现，序列特异性转录因子BANP能够结合并激活一部分含有CpG岛启动子的必需基因的表达。而同样含有CpG岛启动子的二价基因，是否也会受到序列特异性结合蛋白的调控尚不清楚。目前，关于CpG岛结合蛋白的研究有限，而关于CpG岛基因的表达调控尚待研究。2016年，朱冰课题组鉴定到BEND3在体外倾向于结合含有非甲基化修饰的DNA（Molecular Cell），但关于该蛋白在体内的生理功能知之甚少。

本研究中，科研人员发现BEND3能够特异性结合在基因组中含有CpG岛的活跃基因和二价基因的启动子区域，并找到了BEND3特异性结合的DNA基序。通过与许瑞明组合作，研究解析了最关键的第四个BEN结构域结合DNA基序的共结晶结构，为BEND3序列特异性和DNA甲基化敏感结合特性提供了结构依据。利用小鼠模型，研究发现Bend3敲除的小鼠胚胎会在原肠胚形成阶段死亡。体内畸胎瘤形成实验和体外分化实验证明了Bend3敲除的小鼠胚胎干细胞虽然能够保持自我更新，但丧失了分化的能力。为了找到发育和分化缺陷的分子机制，研究利用体外类胚体分化（EB分化）实验，结合RNA-seq技术，发现数百个被BEND3高度占据的二价基因在分化早期被异常激活。结合各种全基因组学分析研究发现，Bend3敲除导致一部分富含BEND3的二价基因启动子上SUZ12和H3K27me3水平的下降，致使这些失去PRC2和H3K27me3保护的二价基因在分化过程中在不恰当的时间被错误地提前激活，最终导致发育和分化的失败。

在胚胎干细胞中，二价启动子（bivalent promoter），即同时存在激活性的H3K4me3和抑制性的H3K27me3组蛋白标记，通常被认为将发育相关基因维持在“蓄势待发”状态，以备在分化时快速激活。然而，在小鼠胚胎干细胞中敲除MLL2以擦除H3K4me3修饰后，这些发育基因的快速激活未受到影响。该研究证明了二价启动子上的H3K27me3修饰的重要性，H3K27me3在分化前期起到“手刹”作用，帮助这些基因维持在“戒急缓发”状态，防止组织特异性基因的过早激活，保障胚胎发育过程中基因时空特异性地表达。

研究工作得到科技部、国家自然科学基金委和中科院的支持。

论文链接

BEND3在小鼠胚胎发育以及胚胎干细胞分化过程中发挥重要功能