国际著名学术期刊Nature子刊《Nature Communications》近日在线发表了华东师范大学生命科学学院生命医学研究所（上海市调控生物学重点实验室）翁杰敏教授课题组的最新研究成果——“UHRF1 targets DNMT1 for DNA methylation through cooperative binding of hemi-methylated DNA and methylated H3K9”。该研究揭示了UHRF1如何通过其结合半甲基化DNA和第9号位赖氨酸甲基化的组蛋白H3（H3K9me）的双重能力来结合DNA复制叉，招募DNA甲基化酶DNMT1，从而完成在DNA复制过程中DNA甲基化谱式的正常维持与传承。
发生于CG二核苷酸5位C的甲基化修饰（既通常的DNA甲基化修饰）是一种重要的表观遗传修饰，在哺乳动物的胚胎发育和细胞分化过程中起着不可或缺的作用，其异常也与疾病如肿瘤的发生发展密切相关。一般而言不同组织和细胞的DNA甲基化谱式是在胚胎发育过程中通过DNMT3a、DNMT3b和DNMT1的协同作用建立起来的，而DNMT1在体细胞的DNA甲基化的维持中起主要作用。之前的研究表明DNMT1在DNA复制过程中结合至DNA复制叉，以甲基化的DNA为模板，将新合成的DNA链甲基化，从而实现DNA甲基化谱式在细胞增殖过程中的维持。UHRF1则在招募DNMT1至DNA复制叉的过程中起重要作用，在Uhrf1敲除小鼠胚胎干细胞中DNMT1不能被招募至DNA复制叉，导致DNA甲基化维持的缺陷、DNA甲基化水平的严重下降和小鼠胚胎期死亡。UHRF1被认为是通过其特异的结合半甲基化DNA活性定位于复制叉，从而招募维持性DNA甲基转移酶DNMT1完成DNA全甲基化。此外，UHRF1还具有结合H3K9me的能力，其在DNA甲基化维持中的作用还不清楚。
翁杰敏课题组的博士研究生刘晓丽、高芹芹和李丕顺等利用敲除Uhrf1-/- ES 细胞，通过导入UHRF1不同点突变体研究其结合半甲基化DNA和H3K9me能力对招募DNMT1至DNA复制叉以及拯救Uhrf1-/- ES细胞DNA甲基化的影响。结果发现，UHRF1丧失H3K9me结合能力的突变体和丧失半甲基化DNA结合能力的突变体都能部分恢复Uhrf1-/- ES细胞DNA甲基化水平，而同时丧失二者结合能力的突变体则不能；UHRF1丧失H3K9me结合能力的突变体和丧失半甲基化DNA结合能力的突变体都能招募DNMT1至复制叉，而同时丧失二者结合能力的突变体则不能。为了验证DNMT1的招募是维持DNA甲基化的关键，他们将复制叉蛋白——细胞核抗原蛋白PCNA与DNMT1融合产生PCNA-DNMT1融合蛋白，通过PCNA的作用介导DNMT1定位于复制叉，实验结果发现表达PCNA-DNMT1的Np95-/-细胞的DNA甲基化水平得到很好的恢复。该研究工作进一步阐明并完善了UHRF1在DNA甲基化维持中的作用机制：通过与组蛋白修饰H3K9me和半甲基化DNA的协同作用，招募DNMT1完成DNA甲基化。该结果也表明H3K9甲基化不仅能指导起始性DNA甲基化，同时也能通过UHRF1来介导完成维持性DNA甲基化。
该项研究工作得到了国家科技部、国家自然科学基金委的经费支持。
原文摘要：
Epigenetic inheritance of DNA methylation in mammals requires a multifunctional protein UHRF1, which is believed to recruit DNMT1 to DNA replication forks through a unique hemi-methylated CpG-binding activity. Here we demonstrate that the UHRF1 mutants deficient in binding either hemi-methylated CpG or H3K9me2/3, but not both, are able to associate with pericentric heterochromatin, recruit Dnmt1 and partially rescue DNA methylation defects in mouse Uhrf1 null ES cells. Furthermore, we present evidence that the flip out of the methylated cytosine induced byUHRF1 binding is unlikely essential for subsequent DNA methylation by DNMT1. Together, our study demonstrates that UHRF1 can target DNMT1 for DNA maintenance methylation through binding either H3K9me2/3 or hemi-methylated CpG, and that the presence of both binding activities ensures high fidelity DNA maintenance methylation. In addition, our study indicates that UHRF1mediates cross-talk between H3K9 methylation and DNA methylation at the level of DNA methylation maintenance.