壓力會悄悄改變細胞記憶？Nature最新揭示應激通過組蛋白H3泛素化調控異染色質遺傳機制

異染色質是一種“沉默”的染色質狀態，靠組蛋白H3第9位賴氨酸的甲基化（H3K9me）來標記并能在細胞分裂中傳給后代，幫助細胞穩定身份、關閉不需要的基因，還能應對環境壓力。

基于此，2026年1月7日，美國國立衛生研究院國家癌癥研究所Shiv I. S. Grewal研究團隊在《Nature》雜志發表了“Stress controls heterochromatin inheritance via histone H3 ubiquitylation”揭示了應激通過組蛋白H3的泛素化調控異染色質的遺傳。

本研究揭示了一個依賴泛素化的“異染色質遺傳調控樞紐”（HRH），其核心因子Raf1作為ClrC泛素連接酶的底物受體，通過劑量依賴性促進組蛋白H3K14泛素化（H3K14ub）驅動異染色質的自我傳播，即使在缺乏組蛋白去乙酰化酶活性時仍有效。HRH與NMD、TOR等環境響應通路相連，使細胞能通過增強異染色質傳播來適應高溫或獲得抗真菌藥物耐藥性。該發現表明，異染色質的維持可被外界信號主動調控，為理解表觀遺傳在生理和疾病中的快速重塑提供了新機制。

圖一 NMD組分的缺失可挽救異染色質擴散缺陷

裂殖酵母中的ClrC復合物類似于人類的CUL4–DDB1–DDB2泛素連接酶，其中Raf1是類似DDB2的底物受體，含有兩個保守的WDxR基序。為研究其功能，作者構建了兩個Raf1點突變株（raf1??1?? 和 raf1?????）并用一個靈敏的報告系統檢測異染色質沉默效果。

結果顯示：兩個突變都完全喪失對遠端mat區域（REIIΔ）的沉默能力，細胞在碘蒸氣下呈深棕色（表示異常減數分裂）且ura4+報告基因去抑制；但在靠近成核位點cenH的位置（Kint2::ura4+），raf1??1?? 導致整個mat區H3K9me3大幅下降，而 raf1????? 仍能在cenH附近維持H3K9me3，卻無法將其擴展到鄰近區域，說明該突變特異性破壞異染色質“傳播”，而非“起始”。為找出能修復這一缺陷的因子，作者進行了遺傳篩選，發現三個抑制突變均位于無義介導的mRNA降解（NMD）通路基因（upf1 或 esl1/ebs1）。敲除upf1或esl1后，raf1?????的沉默缺陷被明顯挽救：H3K9me3和Swi6（HP1同源物）在mat區和亞端粒區域重新積累，但著絲粒區域不受影響（因其依賴RNAi通路，不依賴Raf1傳播）。

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Raf1的特定結構域（R576位點）對異染色質的擴展至關重要；當它受損時，抑制NMD通路可恢復異染色質傳播，揭示了mRNA質量監控通路與表觀遺傳調控之間的意外聯系。

圖二 NMD機制調控ClrC亞基Raf1的表達

為弄清為什么抑制NMD通路能修復raf1?????突變導致的異染色質傳播缺陷，作者首先排除了“NMD缺失增強RNAi”的可能性，因為即使在沒有RNAi關鍵因子Ago1的情況下，沉默功能仍能恢復且小RNA水平未增加。

進一步研究發現：raf1 mRNA本身是NMD通路的直接靶標。

raf1 mRNA含有一個隱蔽、剪接效率低的內含子，容易被NMD識別并降解；在NMD缺陷（如upf1Δ）細胞中，raf1 mRNA和Raf1蛋白水平顯著升高；RNA免疫沉淀證實Upf1直接結合raf1 mRNA；不僅raf1?????突變體，連野生型raf1的表達也受NMD抑制，說明raf1是NMD的天然調控對象。

更關鍵的是，raf1?????突變本身并不破壞Raf1的功能，而是導致其mRNA不穩定、蛋白表達量降低。當通過外源過表達將Raf1?????蛋白提升到正常水平時，異染色質沉默和H3K9me3擴展完全恢復，效果與過表達野生型Raf1相當。

此外，篩選還發現另一個剪接因子突變sap49?1???也能上調Raf1表達并挽救異染色質缺陷，提示剪接效率影響raf1 mRNA穩定性并與NMD協同調控Raf1豐度。

NMD通路通過降解含隱蔽內含子的raf1 mRNA，限制Raf1蛋白水平；而Raf1劑量直接決定異染色質能否有效傳播。因此，NMD并非間接影響表觀遺傳，而是通過精準調控Raf1這一關鍵因子的表達，成為異染色質動態調控的重要開關。

圖三 Raf1劑量通過H3K14泛素化調控異染色質傳播

作者發現，Raf1是調控異染色質傳播的關鍵劑量依賴性因子。作為ClrC泛素連接酶復合物的底物受體，Raf1通過其WD結構域直接結合Clr4（SUV39H同源物）促進Clr4整合入復合物，并增強ClrC在染色質上的穩定結合與駐留時間。

提高Raf1水平（如過表達或敲除NMD通路）不僅增加ClrC焦點數量和強度，還顯著提升組蛋白H3第14位賴氨酸的單泛素化（H3K14ub）。ChIP-seq顯示，H3K14ub特異性富集于所有主要異染色質區域且完全依賴Raf1；而該修飾可激活Clr4的甲基轉移酶活性，驅動H3K9me3的積累與擴散。

進一步實驗表明，當泛素結合酶Ubc4突變（ubc4-1）導致H3K14ub缺失時，盡管H3K9me3可在成核位點起始卻無法向外擴展，基因沉默失效且Raf1過表達也無法挽救。這證明H3K14ub是“讀取-寫入”循環中不可或缺的激活信號。

綜上，Raf1通過組裝ClrC復合物和催化H3K14ub雙重機制驅動異染色質傳播，其表達受NMD通路調控，使細胞能動態適應環境變化。

圖四 Raf1作為DCAF介導的H3K14泛素化揭示了一條異染色質傳播的新通路

異染色質通常需要Clr3這種“去乙酰化酶”來維持穩定，它通過清除H3K14上的乙酰基，幫助保留足夠的H3K9甲基化（H3K9me3），讓沉默信號能持續傳遞。一旦缺失Clr3，異染色質就“散架”基因沉默失效。

但作者發現，只要提高Raf1的量（比如關閉NMD通路或人為過表達）就能“繞過”Clr3的缺失：不僅恢復關鍵的H3K14泛素化（H3K14ub），還讓H3K9me3重新鋪滿整個沉默區域，使基因再次被有效關閉。

這種修復不靠抑制已知的“抗沉默因子”Epe1，而是一條全新路徑。更重要的是，在多種不同原因導致的異染色質缺陷中（如組蛋白突變、染色質重塑因子缺失等），提升Raf1都能“救場”。

最有力的證據來自一個巧妙實驗：科學家先用人工方法在特定基因上“種下”沉默標記，然后撤掉人工工具。正常細胞很快失去沉默；但Raf1水平高的細胞，卻能把沉默狀態穩定傳給后代，說明Raf1增強了異染色質的“自我復制”能力。

通俗說：Raf1就像給異染色質裝上了“自動巡航”系統，即使缺少傳統維護工具（如Clr3），只要Raf1夠多，沉默信號也能自己延續下去。

總結

這項研究揭示，HRH通路通過Raf1和H3K14泛素化，為異染色質裝上了“環境感應器”。從真菌抗藥到植物抗旱，再到哺乳動物應對壓力與疾病，這一機制可能是生命在多變世界中快速適應的通用表觀遺傳“快捷鍵”。

文章來源

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09899-8

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