1. PRC2调控胚胎发育中Hox基因簇在体节上的区域化表达
Hox基因簇含13个Hox基因,它们在基因组上依次排列,排列顺序与其表达顺序是一致的。以胚胎发育中的体节为例,靠近头部的体节表达Hox1,靠近尾部的体节表达Hox13。这是如何实现的呢?
推测在一个母细胞中,PRC2将Hox基因簇组织成染色质高级结构,MLL结合Hox1,在Hox1位点上,组蛋白H3K27me3和H3K4me3甲基化修饰同时存在,其它Hox基因位点上只有组蛋白H3K27me3甲基化修饰。
母细胞第一次染色质极性分裂,原来的(H3-H4)2分布到母细胞中,Hox1位点维持组蛋白H3K27me3和H3K4me3甲基化修饰,继续招募PRC2和MLL;子细胞染色质上的(H3-H4)2是新合成的,Hox1位点的组蛋白只发生H3K4me3甲基化修饰,所以子细胞中,Hox1位点只招募MLL,Hox1基因得以表达。其它Hox基因位点上,母细胞和子细胞都是组蛋白H3K27me3甲基化修饰,招募PRC2。
分裂结束的母细胞中,RBP2结合Hox1位点,催化H3K4me3去甲基化,MLL移动到Hox2位点,使Hox2位点组蛋白同时含有H3K27me3和H3K4me3甲基化修饰,Hox1位点组蛋白只含有H3K27me3甲基化修饰。
为什么RBP2能使MLL从Hox1移动到Hox2?
这由RBP2-PRC2-MLL复合体中蛋白的位置决定,RBP2可能靠近Hox1一侧,使MLL向Hox2移动。在染色质极性分裂中,PRC2-MLL复合体的蛋白位置同样决定了新合成的(H3-H4)2只发生H3K4me3甲基化修饰,DNA复制时,PRC2-MLL的空间位置使新合成的(H3-H4)2只能接触到MLL,接触不到PRC2。
母细胞第二次染色质极性分裂,就产生了表达Hox2的子细胞,以此类推,母细胞产生分别表达Hox1到Hox13的子细胞,通过推倒多米诺骨牌的方式,实现Hox基因簇中基因的排列顺序与表达顺序一致。
2. PRC1调控上皮干细胞分化中谱系决定因子基因的依次表达
上皮组织和间充质组织(含表达特定Hox基因的成纤维细胞,即fibroblast)之间,由基膜(basement membrane)相连。
上皮干细胞中,待表达的谱系决定因子基因由canonical PRC1组织在一起形成PcG (Polycomb Group) body,Bmi1(PCGF4,Polycomb Group RING Finger 4)将PRC1彼此相连,位于边缘的PRC1率先解开而表达。不表达的谱系决定因子基因由non-canonical PRC1抑制,不形成PcG body。
静态干细胞分裂,一个继续保持静态,另一个经过增殖形成前体细胞,或叫transit-amplifying cells,期间谱系决定因子基因形成的PcG bodies结构不变。
前体细胞接受分化信号后,第一个位于边缘的谱系决定因子基因解开而表达,Bmi1随之脱离,此时前体细胞分裂产生功能细胞1;当前体细胞再次接受分化信号,第二个位于边缘的谱系决定因子基因解开表达,前体细胞分裂产生功能细胞2;大部分谱系决定因子离开后,PcG body结构消失,前体细胞直接分化成功能细胞3。
功能细胞寿命较短,定期凋亡脱落,由干细胞和前体细胞不断补充更新。
3. 染色质极性分裂
PRC2,MLL,RBP2调控Hox基因簇的多米诺式表达,需借助染色质极性分裂,即(H3-H4)2在DNA复制时的极性分布:原来的(H3-H4)2分布到母细胞中,新合成的(H3-H4)2分布到子细胞中。
当Hox基因位点同时结合MLL和PRC2时,组蛋白含有H3K4me3和H3K27me3两种修饰,DNA复制时,母细胞的组蛋白维持原有的两种修饰,而子细胞中新合成的组蛋白只获得了H3K4me3修饰,这样子细胞中Hox基因只招募MLL,获得表达机会,母细胞中招募MLL和PRC2,RBP2使MLL向下一个Hox基因移动,实现Hox基因簇的多米诺式表达。
当Hox基因位点只含有PRC2时,子细胞和母细胞的Hox基因位点都只具有H3K27me3一种修饰,都招募PRC2。
4. Bmi1与Rb,HDAC
基因在细胞核内的分布有自己的区域,形成细胞核的区域化(nuclear compartmentalization)。
在上皮组织的干细胞中,canonical PRC1将特定的谱系决定因子基因组织在一起,形成PcG body, Bmi1调控PcG body中谱系决定因子基因的依次表达。其他的谱系决定因子基因由non-canonical PRC1持久抑制,不形成PcG body。
被抑制的功能基因集中在核纤层关联域(LAD: lamin-associated domain),而表达的功能基因则形成转录工厂(transcription factory)。上皮组织的功能细胞中,谱系决定因子协同SWI/SNF,Pol II,Myc将功能基因组织在一起,形成转录工厂,不表达的功能基因由HP1持久地锚定在核纤层关联域,待表达的功能基因由Rb,HDAC暂时地锚定在核纤层关联域。
Bmi1与Rb,HDAC相似,都是暂时抑制基因的表达,只是Bmi1在PcG body中调控谱系决定因子基因,而Rb和HDAC在核纤层关联域中调控功能基因。
5. 间充质与上皮
Hox基因簇在间充质细胞中的多米诺式表达,需要PRC2将Hox基因簇组织成染色质高级结构,MLL率先结合Hox1,染色质极性分裂后,产生表达Hox1的子细胞。母细胞中,RBP2使MLL从Hox1移动到Hox2,再次染色质极性分裂产生表达Hox2的子细胞。以此类推,依次产生表达Hox1到13的子细胞。
间充质细胞中Hox的表达模式使与之结合的上皮细胞走向特定的分化方向,产生干细胞,形成基膜,自身转化为维持Hox基因表达的成纤维细胞。
上皮干细胞中,canonical PRC1将谱系决定因子基因(lineage determination factor)组织成染色质高级结构(PcG body),分化过程中,位于边缘的谱系决定因子基因逐一离开,获得表达机会,依次分化出功能细胞。功能细胞定期凋亡脱落,由干细胞不断产生新的前体细胞的功能细胞补充。