近日，耶魯大學Yannick Jacob實驗室在Science上發表了題為The histone H3.1 variant regulates TONSOKU-mediated DNA repair during replication的研究論文。該研究發現動植物中保守的TONSOKU（TSK）蛋白存在一個特定的TPR結構域，能在DNA複製的過程中特异性識別組蛋白H3變體H3.1，從而在DNA複製過程中修復DNA斷裂，保障DNA複製在生物體內的穩定進行。渥太華晶體中心Hossein技術員和耶魯大學博士生黃義竣為論文共同第一作者，Jacob教授為本文通訊作者，浙江大學董傑研究員合作參與了該項工作。
動植物中的組蛋白H3家族存在兩種變體，分別是依賴DNA複製插入染色質的H3.1變體（H3.1 variant）以及獨立於DNA複製的H3.3變體（H3.3 variant）。兩變體間序列高度相似，在組蛋白修飾富集的N端序列（1-40 aa）上，僅在第31比特胺基酸上存在區別（H3.1A31和H3.3T31，動物上為H3.3S31）。有趣的是，這兩類組蛋白H3變體卻在基因組分佈和表達水准上存在顯著的差异。H3.3多富集於轉錄活躍的常染色質（euchromatin）上，H3.1則富集於抑制轉錄的异染色質（heterochromatin）上。囙此，瞭解這兩種不同的組蛋白H3變體是否能招募特定的錶觀遺傳修飾因數（histone reader）以識別特异的組蛋白修飾，從而進一步探究為何生物需要進化出兩種如此相似卻功能特异的H3變體，一直是該領亟待解决的問題。
在植物中，組蛋白H3K27單甲基轉移酶ATXR5和ATXR6（ATXR5/6）是現時已知唯一能特异性甲基化H3.1變體的組蛋白修飾酶（Jacob et al.，2009）。ATXR5/6突變會導致轉座子活化和异染色質序列的异常擴增，證明了ATXR5/6在維持植物基因組穩定性方面扮演重要的角色。ATXR5/6對H3.1的特异性單甲基化進一步暗示組蛋白H3.1變體很有可能在維持基因組穩定性和調控轉錄沉默方面具有特定功能。然而，先前的研究並未闡明H3.1變體是通過哪些機制參與維持基因組穩定，而由於ATXR5/6僅存在植物中，該機制在動物中是否保守仍待近一步探索。
研究表明，TSK蛋白通過其保守的TPR結構域特异性辨認組蛋白H3.1變體，並通過調控DNA修復影響基因組的穩定性。先前的研究表明，動物中TSK的同源蛋白TONSL能辨認未修飾的組蛋白H4並介導HR修復處理DNA複製中的損傷（Saredi et al.，2016）。研究人員通過序列比對發現TONSL蛋白在動物中與組蛋白H4結合的ANK結構域在植物中並不存在，反之TPR結構域的序列在動植物間卻高度保守。為了進一步闡釋TPR結構域的功能，作者通過一系列生化實驗證明了TPR結構域能區別組蛋白H3.1變體A31位置和組蛋白H3.3變體T31位置，以此特异結合H3.1變體，並且此特异性結合在動物TONSL蛋白中也是保守的。之後作者與合作單位共同解析了TSK-TPR與H3.1的蛋白晶體結構，發現TSK與組蛋白H3.1變體N端結合，且僅辨認未修飾的H3.1變體。結合先前的研究，作者推論TSK可能通過辨認未修飾組蛋白H3.1變體，從而與DNA複製後新生成的染色質特异性結合，在DNA斷裂發生時介導HR修復。
植物新生成染色質上的H3.1變體會被ATXR5/6辨認進行甲基化或被替換為H3.3變體，作者囙此推斷先前研究中發現的由ATXR5/6突變導致的基因組不穩定是由於TSK不正常結合造成。通過構建tsk/atxr5/6三突變的遺傳學資料，進一步的研究發現，三突變的植株能抑制atxr5/6雙突變所導致的基因組不穩定性，且此一不穩定性是由於基因組的不正常修復所引起的。
圖1 DNA複製過程中H3變體和TSK之間相互作用模型。1. DNA複製前TSK無法和H3.3變體及帶有甲基化修飾H3.1變體結合。2. DNA複製時，新合成的H3.1變體由於沒有修飾與TSK形成複合體並插入新生成的染色質上。3.若複製過程產生DNA雙鏈斷裂，則TSK幫助DNA修復避免複製叉崩潰。4. ATXR5/6對新插入的H3.1變體進行單甲基化，防止TSK在DNA複製後與H3.1變體相互作用。
綜上所述，該研究報導了一個動植物間保守的H3.1變體特异識別蛋白TSK，並闡釋了這一蛋白是如何在DNA複製過程中行使作用。由於H3.1會隨著染色質成熟積累甲基化或被置換為H3.3，從而在染色質成熟後封锁TSK蛋白的結合，將其活性限制在新複製的DNA上，避免過度的DNA修復導致基因組的不穩定（圖1）。這一研究闡明了H3.1和H3.3變體在第31位置存在單個胺基酸差异的生物學意義，揭示了組蛋白H3.1變體新的生物學功能。