组蛋白修饰作为表观遗传信息的主要载体之一，具有调节细胞内基因表达的功能。其中研究较多的H3K36位点甲基化通常被认为是富集于基因间区和基因区的活性标记，其功能包括参与细胞活动，DNA损伤，转录起始，RNA剪切，RNA m6A修饰等。
在此前研究报道中，传统ChIP-seq方法发现H3K36me3主要在活跃基因的gene body区富集，并且从基因的5’端向3’端逐渐增加。H3K36me3的甲基转移酶最初在酵母中鉴定为Set2[1]，在哺乳动物细胞中发现其同源蛋白SETD2是H3K36me3的甲基转移酶。此外，精子减数分裂特异性组蛋白甲基转移酶PRDM9被报道在睾丸中同时催化H3K4me3和H3K36me3[2]。
2022年6月9日，方东实验室在Nature Communications杂志发表题为“SMYD5 catalyzes histone H3 lysine 36 trimethylation at promoters”的研究论文，发现哺乳动物细胞中，除SETD2外，SMYD5可作为H3K36me3的甲基转移酶，在基因启动子区催化H3K36me3（图1）。
图1. SMYD5催化启动子区H3K36me3，SETD2催化基因区H3K36me3
TSS, transcription start site. TES, transcription end site.
本研究通过CUT&Tag的方法分析了H3K36me3在未交联细胞中的分布情况，此方法利用Tn5转座子剪切并标记DNA，可使细胞内染色体尽可能在自然状态下被标记。通过该方法，课题组首次发现H3K36me3在基因启动子的富集，并且课题组也通过非交联和超声的Native ChIP-seq进行了验证。通过对多种候选蛋白的大规模敲除筛选实验，鉴定得到SMYD5蛋白是潜在的H3K36me3的甲基转移酶，并且在体内体外实验中进行了验证。调控机制上，SMYD5被RNA聚合酶II招募到染色质中，在启动子区域催化H3K36三甲基化修饰，并且其C端富含谷氨酸的结构域调控了SMYD5与组蛋白H3的结合以及对H3K36me3的催化活性。
此外，该研究还发现Smyd5在肝癌细胞中高表达，在小鼠肝癌模型中敲降Smyd5基因能有效抑制肝癌的发生，并且野生型Smyd5的重新表达能够恢复小鼠肝癌形成，C端富含谷氨酸的结构域敲除的Smyd5则不能恢复。该研究为进一步探究H3K36me3的功能以及H3K36me3异常的癌症研究提供了新的思路。
方东研究员为本文通讯作者，威廉（中国）博士研究生张燕君、房圆、唐寅为共同第一作者。该研究得到了威廉（中国）赵斌教授在小鼠肝癌模型构建上的大力支持，受到国家自然科学基金的资助。
参考文献：
[1] Strahl, B.D. et al. Set2 is a nucleosomal histone H3-selective methyltransferase that mediates transcriptional repression. Mol Cell Biol 22, 1298-1306 (2002).
[2] Powers, N.R. et al. The Meiotic Recombination Activator PRDM9 Trimethylates Both H3K36 and H3K4 at Recombination Hotspots In Vivo. PLoS Genet 12, e1006146 (2016).
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30940-1