Molecular Cell：NSD1不依賴酶活性促進基因轉錄的功能

2023年7月3日，美國紀念斯隆凱特琳癌癥中心（Memorial Sloan Kettering Cancer Center, MSKCC）Kristian Helin研究組在Molecular Cell發表文章Chromatin regulation of transcriptional enhancers and cell fate by the Sotos syndrome gene NSD1，揭示了NSD1不依賴酶活性促進基因轉錄的功能并且闡釋了NSD1對細胞分化的影響，增進了對NSD1參與Sotos綜合征病理機制的理解。

作者們以小鼠胚胎干細胞（ESC）為模型，首先通過基因敲除和靶向蛋白降解（dTAG）的方法，發現Nsd1敲除或降解可以消除細胞內幾乎全部的H3K36me2，證明了NSD1為胚胎干細胞中的決定性H3K36me2催化酶。NSD1的基因組分布仍然未知，作者們通過CUT&RUN技術發現NSD1和H3K36me2富集于活躍增強子區域，并且在胚胎干細胞向上胚層干細胞（EpiSC）分化過程中它們的分布變化與增強子活性變化緊密相關。NSD1有多個與染色質結合相關的結構域，然而它們的功能仍不清楚。作者們通過在NSD1敲除的胚胎干細胞表達一些列NSD1突變體，發現一個由四聯PHD（PHD1-4）和臨近PWWP2結構域構成的功能區域（qPHD-PWWP module）對NSD1的染色質結合及增強子富集有關鍵作用。作者們進一步通過生化互作實驗發現該功能區域可結合H3K18ac修飾的核小體。細胞內的H3K18ac由富集于增強子的乙?；竝300/CBP催化且與NSD1同樣富集于活躍增強子區域。值得注意的是，Sotos綜合征相關的NSD1錯意突變在該qPHD-PWWP區域集中分布，并且作者們發現位于qPHD-PWWP區域的Sotos突變會引起NSD1染色質和增強子的結合障礙以及細胞內H3K36me2的缺失。

為了進一步研究NSD1和H3K36me2缺失對組蛋白和DNA修飾的影響，作者們通過基因組編輯在內源Nsd1位點插入蛋白降解序列（dTAG）以實現快速NSD1誘導降解 – 誘導分子dTAG-13處理1小時即可引起近乎完全的NSD1降解。H3K36me2在處理6小時后有顯著下降（大于50%）并于18-24小時近乎完全消失。值得注意的是，NSD1降解在至少24小時內（24-72小時）不影響H3K27me3和DNA甲基化，雖然作者們與之前報道同樣發現NSD1/H3K36me2長時間缺失缺失（如在基因敲除或長時間dTAG-13處理的情況下）可引起H3K27me3的增加和DNA甲基化的減少。利用該具有高時間分辨率的系統，作者們進一步研究了NSD1降解在短時程內對基因轉錄的直接影響。通過SLAM-seq新生RNA分析技術，作者們發現NSD1降解6小時以內即會引起廣泛的基因轉錄下調，而幾乎沒有基因表達上調。值得注意的是，轉基因表達的缺失H3K36me2催化活性的NSD1突變體與野生型NSD1同樣可以挽救內源NSD1降解引發的基因轉錄下調，說明NSD1存在不依賴酶活性的轉錄促進功能。與其形成鮮明對比的是，利用同樣系統誘導SETD2（H3K36me3催化酶）降解只能引發少量基因的差異表達（上調或下調）。作者們近一步發現，NSD1降解（6小時）引發增強子活性下降和RNA聚合酶由啟動子附近暫停區域向轉錄延伸區域的釋放發生障礙，并且發現延伸因子SPT5（DSIF復合體亞基）在增強子和基因區域的結合顯著下調。

最后，作者們研究了NSD1缺失或突變對胚胎干細胞分化過程中基因表達的影響。利用類胚體（embryoid body）分化，作者們發現NSD1降解導致內、中、外三個胚層分化相關基因表達下調和相關增強子激活障礙，并且受影響基因相關的生物學過程與Sotos綜合征的病理特征相符。由于Sotos綜合征患者表現智力發育障礙，作者們利用定向前腦類器官分化技術發現NSD1降解引發神經分化障礙。作者們進一步發現qPHD-PWWP區域缺失或位于該區域的Sotos相關突變也會引發顯著分化基因激活障礙。

該工作發現NSD1為一個新的轉錄增強子調控蛋白，并揭示了其調控基因表達和細胞分化的機制。值得注意的是，該工作揭示了NSD1與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）均調控增強子功能且可通過不依賴酶活性方式調節基因轉錄；3）均影響RNA聚合酶從啟動子暫停狀態釋放進入轉錄延伸的過程；4）均為胚胎干細胞分化必須的因子【10-12】。該工作的發現也提示組蛋白修飾酶可能廣泛存在非酶促活性依賴的基因轉錄調節功能，從而需要在將來的研究中仔細發掘該類功能并闡釋它們的具體機制。最后，該工作也提示可利用基因編輯和干細胞分化技術體外模擬Sotos綜合征并研究其病理機制。

美國紀念斯隆凱特琳癌癥中心的孫稹博士（目前為Charles Sawyers實驗室博士后研究員）為本文的獨立第一作者和共同通訊作者，Kristian Helin教授（現為英國癌癥研究院（Institute of Cancer Research, ICR）首席執行官兼主席）為共同通訊作者。該工作也得到了紀念斯隆凱特琳癌癥中心Charles Sawyers教授（人類腫瘤及病理學系(HOPP)主任及霍華德休斯研究員）及合作者們的大力支持。孫稹博士的工作受到Edith C. Blum Foundation和MSKCC Functional Genomics Initiative的支持。孫稹博士在2023年6月的國際干細胞研究學會年會（ISSCR 2023）上首次正式報道這一工作。

孫稹博士于西奈山醫學院（Icahn School of Medicine at Mount Sinai）獲得博士學位，師從Emily Bernstein教授從事組蛋白變體的研究（Sun et al. Nat Struct Mol Biol, 2018【13】）。他于2019年加入紀念斯隆凱特琳癌癥中心Kristian Helin實驗室開始博士后研究，并于2021年（Kristian Helin教授遷至英國）加入同一中心的Charles Sawyers實驗室，目前從事染色質和轉錄調控在前列腺癌中的功能研究。

原文鏈接：

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

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