在細(xì)胞核中，染色體DNA與稱作為組蛋白的結(jié)構(gòu)蛋白緊密結(jié)合，生物學(xué)家們把這種DNA—蛋白質(zhì)混合物叫做染色質(zhì)。直到大約20年前，組蛋白都被視作是核“伙伴”，是DNA鏈環(huán)繞的包裝物質(zhì)。而近年來，生物學(xué)家們大大增進(jìn)了對DNA/組蛋白互作支配基因表達(dá)機(jī)制的理解。

2012年，來自多個研究機(jī)構(gòu)的研究人員研究了來自一些癌癥患者的基因組序列由此震動了“染色質(zhì)世界”，當(dāng)時他們獨立報告稱發(fā)現(xiàn)在侵襲性兒科腦腫瘤中編碼組蛋白H3.3的基因存在突變。這一研究發(fā)現(xiàn)是驚人的，因為在此之前研究人員從未將組蛋白突變與人類疾病關(guān)聯(lián)到一起，更不用說一種致命的腫瘤。隨著而來世界各地的癌癥研究人員競相報道，發(fā)現(xiàn)了一些組蛋白突變有可能促進(jìn)腫瘤發(fā)生的機(jī)制。

現(xiàn)在，來自Stowers醫(yī)學(xué)研究所的一篇論文報道稱研究人員構(gòu)建出了第一種動物模型，在果蠅中評估了兩種不同的組蛋白H3.3突變的分子效應(yīng)。由Ali Shilatifard博士領(lǐng)導(dǎo)的這一研究小組將結(jié)果發(fā)布在8月29日的《科學(xué)》（Science）雜志上，強(qiáng)有力地表明了這些突變實際上驅(qū)動了癌癥，并鑒別出了有可能為癌癥治療靶向的互作伙伴蛋白和信號通路。

由于DNA序列突變使得蛋白質(zhì)中的一個正常賴氨酸殘基（K）被甲硫氨酸(M)所替代，分子生物學(xué)家們將這些突變標(biāo)識為“K-to-M”。在兒科腫瘤中，K-to-M突變發(fā)生于組蛋白H3.3的第27位賴氨酸殘基(K27)。研究人員認(rèn)為，小部分損傷蛋白質(zhì)的存在干擾了稱作為PRC2的大型抑制子復(fù)合物。通常情況下，PRC2發(fā)揮酶作用給組蛋白賴氨酸裝飾上一個或多個甲基，通過將相關(guān)的DNA壓縮為難以接近的線圈由此導(dǎo)致了基因表達(dá)沉默。

Shilatifard說：“過去科學(xué)家們就知道在某些癌癥中如PRC2一類的甲基化酶存在突變。在這里令人驚訝地是發(fā)現(xiàn)了一個拷貝的組蛋白H3基因發(fā)生突變與癌癥相關(guān)。H3是PRC2修飾的蛋白之一。為了弄清楚這種情況發(fā)生的機(jī)制，我們開發(fā)出了一種體內(nèi)模型在一些我們可以研究的系統(tǒng)中探究這一過程。”

研究小組首先構(gòu)建了一種模擬K27-to-M突變的組蛋白H3.3版本，隨后將構(gòu)造體導(dǎo)入果蠅胚胎組織中，在活體果蠅中生成了這種受損的蛋白。利用識別甲基化賴氨酸的一些抗體，他們發(fā)現(xiàn)就和喪失PRC2阻抑蛋白一樣，一個拷貝生成的突變蛋白就足以降低正常組蛋白H3.3 K27位點的整體甲基化水平。當(dāng)研究人員構(gòu)建出相似的第9位賴氨酸(K9) K-to-M突變體時，他們看到了類似的結(jié)果。在體內(nèi)對H3K27和H3K9突變體進(jìn)行分析證實了，組蛋白H3.3中的K-to-M突變抑制了關(guān)鍵阻抑蛋白PRC2，不過尚未明確其發(fā)生的機(jī)制。

論文的共同第一作者Marc Morgan 博士說：“像這樣的單氨基酸變化是否會改變組蛋白H3.3與其他蛋白質(zhì)的互作方式是一個問題。這種突變體有可能要么丟失要么就獲得了什么。”為了確定它，該研究小組與Stowers蛋白質(zhì)組中心合作，利用質(zhì)譜法比較了與正常組蛋白H3.3和K-to-M突變體的一些因子。

分析結(jié)果揭示，突變組蛋白的存在整體上抑制了組蛋白與一些疑似阻抑蛋白的互作。在Morgan說出“Aha!”一詞的瞬間，他們檢測出了脫甲基酶KDM3B與組蛋白H3K9突變體之間混亂的關(guān)聯(lián)。“這表明這些突變體不適當(dāng)?shù)貙⒁环N脫甲基酶拖到了染色質(zhì)上，隨后清除了周圍組蛋白中的一些甲基化標(biāo)記，”Morgan說。

甲基化標(biāo)記的喪失使得附近的一些基因得以表達(dá)。為了證實這一點，該研究小組利用了一種果蠅染色方法使得實驗者能夠成像整個組織中一些抑制基因的受影響的狀況。就像H3K9突變體表達(dá)一樣，KDM3脫甲基酶表達(dá)使得唾液腺一類的組織中基因表達(dá)脫抑制。這支持了下列觀點：K-to-M突變招募了一種脫甲基化酶（如KDM3B）使得附近H3.3蛋白K9殘基上的染色質(zhì)脫甲基化，在那里它有可能解開染色質(zhì)，使得本該沉默的一些基因激活。

這有可能通過多種方式引起了癌癥。“一種可能是當(dāng)存在這種突變時，通常被第9位賴氨酸殘基沉默的一些癌基因有可能脫去了抑制，”論文的共同第一作者Hans-Martin Herz博士說。但Herz對解釋這些結(jié)果持謹(jǐn)慎態(tài)度，因為不同于K27突變，K9突變還未報道與癌癥相關(guān)。

有趣的是，近期其他的研究人員報道在軟母細(xì)胞瘤中發(fā)生了一種不同的K-to-M突變（在組蛋白H3.3的第36位殘基）。盡管對于K-to-M突變?yōu)橐环N特殊的癌癥所特有的原因尚不清楚，Shilatifard說毫無疑問它們在腫瘤發(fā)生中發(fā)揮了中心而非旁觀者作用。“在其他的癌癥中有可能存在一些功能未知的K-to-M突變。我們的研究工作使得我們能夠鑒別出與果蠅中染色質(zhì)信號傳導(dǎo)相關(guān)的一些作用分子，并將這些研究結(jié)果應(yīng)用于人類細(xì)胞。”