表觀遺傳修飾，包括組蛋白的翻譯后修飾，與轉錄調控密切相關。三甲基化的H3賴氨酸4（H3K4me3）是最受研究的組蛋白修飾之一，因為它在轉錄起始位點的富集以及與基因表達和決定細胞命運、發育和疾病的過程相關。在這篇綜述中，我們重點關注最近的研究，這些研究揭示了H3K4me3的水平和模式是如何調控的，以及H3K4me3如何有助于調控轉錄的特定階段，如RNA聚合酶II的啟動、暫停-釋放、異質性和一致性。這些研究的結論是，H3K4me3本身調控基因表達，其精確調控對于正常發育和預防疾病至關重要。
* 催化H3賴氨酸4（H3K4）的單甲基化、雙甲基化和三甲基化及去甲基化的蛋白質復合物，以及讀取這些修飾的復合物，對于分化和發育至關重要。
* 更具體地說，三甲基化的H3K4（H3K4me3）在調控基因表達、轉錄記憶和一致性方面發揮著關鍵作用。
* 最近的研究表明，H3K4me3在基因表達中的作用可能與最初的想法不同。
* 在癌癥體細胞中常見到調控H3K4甲基化和去甲基化的基因發生改變。
H3K4甲基化
DNA組織成染色質的過程是高度調控的，對于控制基因表達至關重要。這個組織的核心是組蛋白八聚體，它由兩份核心蛋白H2A、H2B、H3和H4組成。八聚體被146 ± 1 bp的DNA纏繞，形成一個核小體，并通過一段短的連接DNA與相鄰的核小體相連。組蛋白的翻譯后修飾（PTMs），如甲基化、乙酰化、磷酸化和泛素化，以及專門調控這些PTMs的酶，對于基因表達的正確調控和正常發育是必不可少的。這種調控基因表達的方式通常被稱為表觀遺傳學。意識到組蛋白可以具有許多不同的組合和修飾模式，促使提出了組蛋白密碼的概念，認為它可以向細胞傳達關于基因表達和其他與染色質相關的過程的特定信息或指令。
組蛋白H3賴氨酸4的甲基化（H3K4me1、-2和-3）是研究最廣泛的組蛋白修飾之一（圖1），這與基因表達的密切相關性以及調控這些甲基化的酶在癌癥中的作用有關。H3K4me1在增強子處富集，并被認為與增強子的激活有關。H3K4me3在轉錄起始位點（TSSs）高度富集，研究表明它可以通過吸引含植物同源域（PHD）的蛋白，如TATA框結合蛋白相關因子3（TAF3）和溴結構域PHD指轉錄因子（BPTF），來增強轉錄。此外，H3K4me3在增強子處的存在也與其活性增加相關。H3K4me2（二甲基化）更為豐富，并且與活躍的啟動子和增強子相關（圖2A, B）。
H3K4me3在轉錄起始位點（TSSs）和H3K4me1在增強子處的特定富集，以及它們與基因表達的相關性和H3K4甲基轉移酶對基因表達的需求，支持了這兩種修飾積極促進轉錄的普遍概念。然而，這是否成立一直存在激烈的爭論，部分原因是釀酒酵母、果蠅和小鼠胚胎干細胞（mESCs）的研究表明，在失去大部分H3K4me3的細胞中，轉錄仍然可以維持，基因可以響應分化信號被激活。此外，目前尚不清楚H3K4me3如何以及是否直接激活轉錄和/或防止轉錄抑制。事實上，H3K4的甲基化已被證明可以對抗多梳蛋白（H3K27me3）和DNA甲基化的抑制作用。
在這篇綜述中，我們介紹了調節H3K4甲基化的組成成分，隨后重點關注最近的數據，探討H3K4me3在調節轉錄中的作用。此外，我們還強調并討論了H3K4甲基化在發育和癌癥中的作用。
H3K4me3的Writers、Erasers和Readers
像其他幾種PTMs一樣，H3K4甲基化水平受到其甲基轉移酶（writers）和去甲基酶（erasers）活性的調控（圖3A）。此外，已顯示不同的蛋白質（readers或效應物）通過保守的PHD、Tudor或chromodomain基序結合到甲基化的H3K4核小體上。編碼writers、erasers和readers的幾個基因對正常發育至關重要，它們的錯誤調控與發育疾病和癌癥有關。
Writers
H3K4甲基化的沉積是由與SET1相關的蛋白質復合體（SET1/COMPASS）或混合譜系白血病（MLL）家族的賴氨酸甲基轉移酶催化的（圖3B）。這個復合體實際上是哺乳動物中六個不同的復合體，包含六個不同的催化亞單位和幾個共同亞單位（圖3C）。第一個H3K4甲基轉移酶是在釀酒酵母中被鑒定出來的，它編碼一個SET1/COMPASS，負責催化H3K4me1、-2和-3。哺乳動物細胞中的六種H3K4甲基轉移酶在果蠅中有三個同源物，分別稱為Trx（MLL1/2的同源物）、Trr（MLL3/4的同源物）和Set1（SETD1A/B的同源物）。哺乳動物的MLL5（KMT2E）在細胞中不具備內源性組蛋白賴氨酸甲基轉移酶活性。雖然SETD1A和SETD1B復合體負責催化哺乳動物細胞中大部分的H3K4me3和H3K4me2，但MLL1和MLL2被認為是發育或雙價啟動子（如HOX基因）中H3K4me2和H3K4me3的主要形式。MLL3和MLL4被認為負責催化與增強子相關的大部分H3K4me1。雖然H3K4甲基轉移酶復合體具有一定的特異性，但重疊的底物特異性以及每種酶都可以催化所有三種修飾步驟的事實，使得確定每種修飾在轉錄調控中的確切作用變得具有挑戰性。
除了催化亞單位，六個SET1/MLL復合體還包含四個共享的共同亞單位，即WDR5、RBBP5、ASH2L和DPY30（WRAD），這些亞單位對它們的活性至關重要。此外，特定的組分與定義明確的COMPASS復合體相關聯，例如在SETD1A/SETD1B復合體中的CpG結合蛋白CFP1、在MLL1/MLL2復合體中的腫瘤抑制蛋白MENIN（多發性內分泌腫瘤1型）以及在MLL3/MLL4復合體中的H3K27去甲基化酶UTX（也稱為KDM6A）。這些不同的亞單位在調節各種復合體的活性中發揮著重要作用。例如，CFP1是SETD1A/SETD1B復合體招募到CpG島所必需的，因此對于在SETD1調控的啟動子上積累H3K4me3至關重要。MENIN是多個復合體中的支架蛋白，除了MLL1/MLL2復合體外，它還是神經內分泌組織中的腫瘤抑制因子；然而，MENIN對MLL1/MLL2與染色質的結合以及由MLL1融合蛋白驅動的白血病發生也至關重要。KDM6A/UTX是一種組蛋白H3K27去甲基化酶，在調節轉錄和正常發育中具有催化依賴性和獨立性的作用。因此，額外的蛋白質為各個SET1/MLL復合體提供了特定功能，這可能解釋了為什么只有某些SET1/MLL的亞單位在癌癥中被發現突變。
Erasers
迄今為止，在哺乳動物細胞中已經報道了七種H3K4去甲基化酶（圖3D）：KDM1家族成員KDM1A（LSD1）、KDM1B（LSD2）和KDM2B（FBXL10），以及JARID1/KDM5家族成員KDM5A-D。LSD1和LSD2去甲基化H3K4me1和H3K4me2，而KDM5家族酶也可以去除H3K4me3上的甲基。KDM2B的特異性存在爭議：雖然最初被報道為H3K36me2去甲基化酶，類似于KDM2A，但后來也被建議去甲基化H3K4me3和H3K79me2。KDM5家族有四個成員：KDM5A（JARID1A/RBP2）、KDM5B（JARID1B/PLU1）、KDM5C（JARID1C/SMCX）和KDM5D（JARID1D/SMCY）。有趣的是，盡管KDM5家族成員的缺失會導致H3K4me3水平升高，但在穩態下對基因表達的影響有限。所有四種KDM5蛋白都與癌癥相關。最顯著的是，KDM5B在多種癌癥中表達過高，包括乳腺癌，并且與藥物耐藥性和腫瘤的可塑性相關。
Readers和effectors
與其他翻譯后修飾（PTMs）如乙酰化和磷酸化不同，甲基化不會改變底物的電子電荷；因此，組蛋白賴氨酸甲基化主要被認為是通過招募特定識別不同甲基化位點的蛋白質（readers和effectors）來發揮其功能。幾種蛋白質可以結合H3K4me3陽性核小體和/或肽（圖3E）。例如，CHD1（一個依賴ATP的染色質重塑酶）可以通過其串聯的染色質結構域識別H3K4me3，從而招募mRNA成熟所需的因子。TFIID的TAF3亞基（TATA結合蛋白）可以通過其PHD結構域結合H3K4me3，這可能導致前啟動復合物（PIC）更有效的組裝和選擇性基因激活。NURF的最大亞基BPTF可以通過其第二個PHD結構域與H3K4me3相互作用，這可能對其調節染色質可及性的作用至關重要。含有PHD結構域的ING2或ING4蛋白可以作為組蛋白乙酰轉移酶復合物的一部分結合H3K4me3，從而可能增強其靶基因的表達。PHF2可以在核糖體基因啟動子處結合H3K4me3，從而促進核糖體基因的表達。PHF23可以作為NUP98融合蛋白的一部分結合H3K4me3，導致白血病。SPIN1可以通過其Tudor結構域結合H3K4me3，可能有助于其作為轉錄共激活因子的作用。SGF29是Spt-Ada-Gcn5乙酰轉移酶（SAGA）復合物的一部分，可以通過其雙Tudor結構域結合H3K4me3，從而促進組蛋白H3的乙酰化。有趣的是，CFP1和MLL1，作為SET1/MLL復合物的關鍵亞基，也通過其PHD結構域作為H3K4me3的reader發揮作用，這突顯了在調節H3K4me3水平方面的潛在反饋效應。考慮到所有這些發現，有充分的實驗支持一個模型，其中H3K4me3在招募具有調節基因表達各個步驟的重要作用的蛋白質和復合物中發揮關鍵作用。然而，由于直接測試H3K4me3在這些過程中的作用在體內存在實驗挑戰，目前尚不確定H3K4me3是由于轉錄而沉積，還是在調節轉錄中具有直接作用。
H3K4me3在轉錄過程中的作用
直到最近，針對H3K4me3在哺乳動物細胞中轉錄作用的研究主要是間接的，基于刪除編碼SET1/MLL復合體蛋白的各種基因（見圖1），如CFP1、WDR5、DPY30、MLL1/2、MLL3/4和SETD1A/B。正如前面提到的，自從發現基因表達與H3K4me3之間的正相關關系以來，人們普遍接受H3K4me3通過促進轉錄起始在調節轉錄中發揮作用。然而，H3K4甲基化的不足去除以及先前敲低或敲除研究中缺乏時間分辨率，挑戰了數據的解釋，因此也影響了對H3K4me在轉錄中潛在作用的理解。
H3K4me3在促進轉錄起始中的作用
幾項研究結果表明H3K4me3在促進轉錄起始中發揮作用（圖4）。例如，異位表達H3K4甲基轉移酶已被證明會導致H3K4me3的添加到被抑制的基因啟動子上并激活它們。此外，多個研究小組已經表明H3K4me3可以招募與轉錄起始和染色質重塑相關的因子，如TAF3、CHD1、BPTF和SAGA復合體，以維持開放的染色質。最顯著的例子是通用轉錄因子TAF3，它是RNAPII PIC的一部分，被認為刺激PIC的形成。總體而言，這些發現支持H3K4me3通過促進刺激RNAPII PIC在啟動子上形成的因子的結合來調控基因表達的觀點。
然而，缺乏直接證據支持H3K4me3在體內促進RNAPII轉錄起始的一般作用。事實上，涉及特定因子（如TAF3或NURF復合體）缺失的遺傳研究表明，只有一部分基因受到其缺失的影響。此外，轉錄可以在沒有H3K4me3的情況下發生，而H3K4me3單獨并不足以決定整個基因組的轉錄活性。有趣的是，在釀酒酵母中H3K4me3（以及H3K4me1和H3K4me2）水平顯著降低僅對轉錄產生了輕微影響。這表明，替代機制或其他修飾可能會彌補酵母中H3K4me3的缺失。這些觀察結果質疑H3K4me3是否對任何類型的轉錄都是必需的，并突顯了基因調控的復雜性。此外，這表明H3K4me3與RNAPII轉錄起始之間的關系比最初認為的更為微妙；其精確作用和需求程度可能因特定基因和細胞環境而異。
H3K4me3在暫停-釋放中的獨特作用
最近的研究強調了H3K4me3在調節RNAPII從暫停啟動子釋放中的獨特作用，這是轉錄調控的關鍵步驟（圖4）。通過在小鼠胚胎干細胞中針對SET1/MLL復合物的共同亞基進行急性降解，我們和其他研究者表明，去除H3K4me3對轉錄起始沒有可檢測的影響。相反，H3K4me3調節RNAPII的轉錄暫停-釋放，因此也可能有助于轉錄延伸。值得注意的是，我們發現H3K4me3是一種非常不穩定的修飾，持續被KDM5去甲基化酶去除。我們還發現，整合因子（integrator）對釋放啟動子近端的暫停RNAPII至關重要。RNAPII被認為在協調轉錄和mRNA加工事件中發揮作用，幫助維持啟動子對調控因子的可及性。這些因子通過招募正轉錄延伸因子b（P-TEFb）和其他分子來啟動轉錄，從而促進暫停RNAPII進入基因體進行延伸。基于我們的觀察，H3K4me3促進了整合因子復合物亞基11（INTS11）的招募，而INTS11通過其RNA內切酶活性可以通過去除暫停的RNAPII來實現有效的轉錄延伸，我們提出了一個新的“交通（traffic）”模型來解釋H3K4me3在調節轉錄循環中的作用（圖4）。最近的結果也支持我們的觀察，即INTS11的急性缺失導致啟動子近端RNAPII的積累。進一步的研究將需要確定導致INTS11招募及其在延伸中功能的詳細分子機制。
關于H3K4me3的大多數新發現也得到了另一項研究的支持。然而，盡管這些作者與我們的結果一致，顯示H3K4me3的耗竭導致轉錄延伸的減少，但他們發現整合因子復合物在H3K4me3缺失的細胞中與轉錄起始位點（TSS）的結合增加。這一差異的原因目前尚不清楚，但可能反映了在實驗系統中H3K4me3被耗竭的動力學和效率。
總之，新結果表明H3K4me3確實是一種重要的翻譯后修飾，調節啟動子近端的暫停-釋放并促進基因表達。這些結果也提出了關于H3K4me3如何直接促進RNAPII相關整合因子復合物招募機制的新問題。觀察到H3K4me3的急性缺失僅影響早期階段的一部分基因，這引發了關于H3K4me3是否在調節基因表達中具有不同角色，或者特定轉錄調控元件或染色質結構的存在是否對H3K4me3在轉錄中的作用產生影響的問題。H3K4me3缺失對不同表達水平基因的差異影響也表明，這種組蛋白修飾在轉錄調控中的作用可能依賴于具體環境。需要進一步的機制研究，以了解H3K4me3如何調節基因特異性的表達水平，這可能對我們理解轉錄產生重大影響。
新發表的結果可以解釋為什么H3K4me3在活躍轉錄基因的啟動子近端區域富集，并與暫停的RNAPII共定位。此外，H3K4me3快速更新的觀察也可能提供了一種機制，通過該機制，轉錄的暫停-釋放可以在響應外部和內部信號通路時被緊密和快速地控制。重要的是，我們的實驗系統無法解決H3K4me1和H3K4me2是否在調節轉錄起始或暫停-釋放中發揮作用的問題。H3K4me3在轉錄起始位點（TSS）中優先富集，而H3K4me2也在TSS中富集，這可能部分彌補了H3K4me3缺乏的影響。
H3K4me3在轉錄記憶和一致性中的作用
轉錄記憶
H3K4me3最初被提出在調節轉錄起始中發揮作用，但后來科學家們對此提出了質疑，認為H3K4me3是轉錄的結果，而不是其原因。其他研究結果則表明H3K4me3在調節轉錄一致性和轉錄記憶中發揮作用。這個觀點認為，H3K4me3在譜系特異性基因或在應激反應中激活的基因的存在，可以使這些基因在重復刺激或細胞分裂后更快速和高效地重新激活表達。一些觀察結果支持了這一建議。在成年小鼠的前額皮層中敲除編碼甲基轉移酶Kmt2a/Mll1的基因，導致特定基因的基礎表達降低，并顯著損害空間工作記憶，這表明H3K4me3對于促進海馬體中新記憶的形成是必不可少的。失敗的供體細胞核重編程與供體細胞核基因的轉錄記憶和較高水平的H3K4me3相關，而與成功重編程的細胞核相比。由于失敗的重編程可以通過注射KDM5B mRNA來挽救，這暗示H3K4me3在維持供體細胞核的轉錄記憶中發揮作用。
除了這些例子，H3K4me3還被發現與學習、壽命、脂質代謝和哺乳動物的長期記憶過程有關。綜合來看，這些結果表明，在某些生理條件下，H3K4me3作為一種穩定的修飾被維持，并在調節與記憶形成、突觸可塑性和認知功能相關的基因表達中發揮關鍵作用。
轉錄異質性與一致性
H3K4甲基轉移酶和H3K4me3最初被證明與轉錄活躍的Hox基因相關，這表明H3K4me3在發育過程中激活基因方面可能發揮重要作用。后來的實驗顯示，H3K4me3通常與特定基因同一啟動子上的抑制性修飾H3K27me3共存，這被稱為“雙價（bivalent）”狀態。雙價基因存在的首個證據來自于小鼠胚胎干細胞的ChIP-seq研究，這主要標記了重要發育基因的低表達。雙價性通常出現在發育調控的基因或涉及細胞命運決定的基因中。它可能允許處于準備或“預備”基因表達狀態的基因，根據發育或細胞環境的不同，隨時準備激活或抑制。雙價性為在發育和細胞過程中精細調控基因表達提供了一種潛在機制，同時也定義了組織特異性的轉錄異質性。
H3K4me3的廣泛區域（broad domains）是指基因組中H3K4me3與比典型的兩個或三個核小體更大范圍的區域相關，這些區域與持續的基因表達有關。廣泛的H3K4me3區域存在于胚胎植入前的胚胎和體細胞中，研究表明它們在維持細胞身份所需基因的轉錄一致性方面發揮著關鍵作用。H3K4me3的廣泛區域還與全局轉錄沉默相關，這對于通過減數分裂和卵母細胞的靜息狀態是必需的。因此，廣泛的H3K4me3區域和雙價染色質可能共同影響基因表達的調控格局，并在細胞過程和發育中發揮重要作用，這可能有助于基因的多樣性、可塑性和適應性，以及轉錄異質性和一致性。
除了其轉錄功能外，H3K4me3還可能在促進DNA損傷反應位點的DNA修復機制招募、pre-mRNA剪接、減數分裂期間的同源重組以及抗原受體基因V(D)J重組中發揮關鍵作用（圖1）。
H3K4me3在發育和疾病中的作用
H3K4me3在早期胚胎發育中的動態變化
H3K4me3的甲基轉移酶和去甲基化酶對正常發育至關重要，它們被認為通過建立表觀遺傳景觀來調控基因表達。H3K4me3在特定基因啟動子上的水平和分布變化與譜系特異性基因表達和細胞命運的決定有關。受精后，在前胚胎基因組激活（pre-ZGA）階段，H3K4me3的水平通常較低且廣泛受限，而在主要的胚胎基因組激活（ZGA）期間，H3K4me3水平顯著增加。這可能反映了在發育中的胚胎中基因表達模式的建立。在ZGA之后，H3K4me3與譜系特異性基因的關聯動態被認為在建立與不同細胞類型相關的轉錄程序中發揮關鍵作用。H3K4me3在卵子發生過程中也可能通過存在于低DNA甲基化區域來發揮基因沉默的作用。這些數據強調了在胚胎發生過程中調節H3K4me3水平以精確控制基因表達模式的重要性。
癌癥中的H3K4甲基轉移酶復合物
在癌癥中，H3K4甲基轉移酶基因中經常發現突變（圖5A）。涉及編碼MLL1基因的染色體重排，如易位、倒位或基因融合，導致N端MLL1與其他蛋白質的融合，是急性白血病的常見原因。這些MLL1的重排通常導致通過招募轉錄延伸復合物來失調基因表達，破壞正常的造血分化，并促進白血病的發展。盡管融合蛋白中的MLL1部分失去了催化活性，但MLL1–AF9融合蛋白的存在導致H3K4me2和H3K4me3的異常水平。大量努力已致力于開發針對MLL1的抑制劑，作為白血病細胞癌癥治療的潛在策略。例如，已開發出可以破壞或引導其與WDR5或MENIN相互作用的MLL1抑制劑，用于治療MLL重排的白血病，如MM-401。其他針對MLL1輔因子的抑制劑也已開發，如MENIN抑制劑（revumenib）和DOT1L抑制劑（pinometostat）。編碼MLL4的基因突變也在幾種類型的癌癥中發現，如淋巴瘤、乳腺癌、結直腸癌和其他惡性腫瘤。編碼MLL3和MLL4的基因失活突變是癌癥中最常見的SET1/MLL亞單位突變基因（這兩者在大約10%的所有癌癥類型中均有突變）。盡管編碼SETD1A、SETD1B和MLL2的基因在癌癥中并不常見突變，但這些基因的突變與多種類型的癌癥相關，包括白血病、乳腺癌和肺癌。SETD1A和SETD1B的失調可以影響基因表達程序，并以H3K4me3依賴或非依賴的方式促進腫瘤的發展和進展。開發針對“H3K4me3失調”癌癥的特定抑制劑及相關臨床試驗將有助于加深對H3K4甲基轉移酶活性失調如何促進癌癥的理解。
KDM5和H3K4me3去甲基化酶在癌癥中的作用
KDM5A-D被認為在多種類型的癌癥中作為癌基因和腫瘤抑制基因（圖5）。去甲基化酶的失調可能導致異常的H3K4me3模式和改變的基因表達譜，從而促進癌癥的發生、進展和對治療的抵抗。KDM5A和KDM5B都參與調節腫瘤抑制基因，例如視網膜母細胞瘤蛋白（pRB）的靶基因，通過降低它們的H3K4me3水平。KDM5A還被確定為白血病中NUP98的融合伙伴，形成一個包含KDM5A PHD指的NUP98-KDM5A融合蛋白，該蛋白可以結合H3K4me3/me2，從而可能阻止在多個編碼譜系特異性轉錄因子的位點去除H3K4me3。在肺癌細胞中，KDM5A的水平和活性在缺氧條件下降低，導致特定缺氧誘導基因啟動子上的H3K4me3增加，促進其基因表達，從而提高癌細胞的存活率。編碼KDM5B的基因在雌激素受體陽性（ER+）腺癌細胞中經常被擴增和過表達，研究表明其在維持腺細胞特異性表達程序中發揮關鍵作用。KDM5A和KDM5B還被報道對癌細胞的表觀遺傳調控的細胞可塑性和異質性有所貢獻，因此在黑色素瘤和ER+乳腺癌細胞中對治療抵抗的發展中發揮重要作用。
有趣的是，位于X染色體和Y染色體上的KDM5C和KDM5D與癌癥的性別偏倚有關。具體而言，在小鼠結腸癌模型中的研究表明，KDM5D的表達增加導致上皮細胞緊密連接調節因子和主要組織相容性復合體I類成分的表達減少，從而導致腫瘤侵襲。綜合來看，許多令人興奮的結果表明KDM5去甲基化酶在特定亞型癌癥的發展和對治療抵抗中的作用，提示它們是有趣的治療靶點。事實上，已經進行了一些努力來開發選擇性靶向KDM5A和KDM5B活性的小分子抑制劑，其中一些在臨床前研究中顯示出良好的結果；然而，它們仍需進入臨床試驗。
總之，新興研究支持癌細胞的異質性和可塑性是由表觀遺傳酶調控的，這有助于對化療或免疫療法的抵抗。H3K4me3去甲基化酶或甲基轉移酶的失調與癌癥的發展和進展有關。它們的異常活性可以導致基因表達譜的改變、致癌功能和表觀遺傳重編程，從而促進腫瘤發生和癌癥復發。單獨或與化療或免疫療法聯合靶向這些H3K4me3調節因子，作為癌癥治療的表觀治療策略具有潛力。
總結性評論
盡管H3K4me3被廣泛認為是一個活躍的啟動子標記，但其在調節轉錄中的潛在作用一直備受爭議。重要的是，最近的研究結合了時間分辨基因組學和針對SET1/MLL成員的快速靶向降解，提供了關于H3K4me3調節功能的新見解，例如在RNAPII的暫停-釋放步驟中。雖然在理解H3K4me3在調節基因表達中的作用方面取得了顯著進展，但仍需進一步努力揭示決定個別基因中H3K4me3水平的調節機制，以及這如何影響各種生物過程（見未來要解決的突出問題）。解決這些問題將加深我們對H3K4me3在細胞中的功能和調節作用的理解，并可能為改善癌癥和其他疾病的治療鋪平道路。
未來要解決的突出問題
1. 招募-正調節因子：
含有CpG島的啟動子通常默認是H3K4me3陽性的。SET1/MLL復合物的招募部分是通過含有CXXC結構域的蛋白質（如CFP1和MLL1/2）直接結合CpG島來介導的。還有哪些其他因子參與決定SET1/MLL復合物對基因啟動子的招募？SET1/MLL復合物是如何被招募到沒有CpG島的啟動子？轉錄因子在招募SET1/MLL復合物到啟動子中是否有直接作用？2.?招募-負調節因子：
染色質環境影響H3K4me3的水平。雙價啟動子（H3K27me3–H3K4me3陽性）與H3K4me3的非雙價啟動子相比，H3K4me3的水平較低。H3K9me3和DNA甲基化阻止H3K4的三甲基化（而H3K4me3則阻止DNA甲基化和H3K9me3的積累）。在建立轉錄許可（H3K4me3陽性）和非許可（H3K27me3-、H3K9me3-和DNA甲基化陽性）啟動子之間的平衡中，關鍵事件和因素是什么？
3. H3K4me3水平與轉錄：
是什么決定了啟動子中H3K4me3的水平？闡明控制H3K4me3的沉積、去除和維持的精確機制對于理解轉錄過程的調節至關重要。H3K4me3是由SET1/MLL復合物建立的；然而，它會被KDM5去甲基化酶迅速去除。這種快速的周轉對于調節轉錄水平（例如，轉錄延伸速率和/或轉錄突發頻率）是否重要？我們需要更好地理解RNA聚合酶II啟動子近端暫停-釋放的調節機制。
4.?發育與疾病中的H3K4me3：
SET1/MLL復合物和KDM5蛋白對于正常發育至關重要，它們的活性在人體疾病中常常被發現失調。特定基因和H3K4me3如何促進細胞類型特異性的基因表達程序、分化過程和疾病的發展是未來研究的關鍵問題。
術語表 (Glossary)
染色質重塑 (Chromatin remodeling)一種重要的過程，由依賴于ATP的染色質重塑復合物調節，這些復合物可以重新定位、驅逐或交換核小體，從而改變基因的可及性，因此影響蛋白質與DNA的結合。
DNA甲基化 (DNA methylation)一種常見的表觀遺傳修飾，涉及將甲基基團添加到DNA分子上，通常發生在CpG二核苷酸背景下的胞嘧啶殘基上。
表觀遺傳學 (Epigenetics)一種可遺傳的變化，例如DNA甲基化和組蛋白修飾，調節基因表達或細胞表型，而不涉及基礎DNA序列的改變。
組蛋白密碼 (Histone code)一個假說，建議特定組合的組蛋白修飾可以作為一種分子密碼，影響染色質的結構和基因表達。它提出組蛋白修飾的模式決定染色質的功能狀態，并調節基因對轉錄機制的可及性。
組蛋白修飾 (Histone modification)一種翻譯后化學修飾，例如甲基化、乙酰化或磷酸化，發生在組蛋白蛋白質上，可以導致染色質結構的改變并影響基因表達。
暫停-釋放 (Pause-release)RNA聚合酶II在轉錄起始位點（TSS）下游20-60 bp處暫停，借助于暫停因子。完整RNA轉錄本的有效延伸需要P-TEFb激酶復合物釋放RNA聚合酶II。
轉錄延伸 (Transcriptional elongation)一個過程，涉及RNA聚合酶在與調節延伸的蛋白質結合的情況下，從DNA模板延伸出RNA分子。
轉錄起始 (Transcriptional initiation)轉錄的一個精確調節步驟，在此步驟中形成一個前起始復合物（PIC），該復合物包括RNA聚合酶、通用轉錄因子（GTFs）和若干轉錄共調節因子。
轉錄記憶 (Transcriptional memory)一種現象，其中基因的轉錄活性因先前暴露于特定刺激或環境條件而改變。它意味著基因保留了過去活動的“記憶”，在隨后的相同刺激暴露時導致更快或更強的反應。
轉錄調控 (Transcriptional regulation)一個關鍵步驟，指的是調節基因何時以及在多大程度上被轉錄。
Wang Hua, Helin Kristian. Roles of H3K4 methylation in biology and disease.?Trends Cell Biol. Published online June 21, 2024. DOI:?10.1016/j.tcb.2024.06.001
