清華大學醫學院李海濤課題組《細胞》發文破譯組蛋白乙醯化密碼
清華新聞網10月24日電 清華大學醫學院基礎醫學系和結構生物學中心李海濤研究團隊於10月23日在國際學術期刊《細胞》（Cell）發表了題為「AF9 YEATS domain links histone acetylation to DOT1L-mediated H3K79 methylation」（AF9 YEATS結構域關聯組蛋白乙醯化至DOT1L介導的組蛋白H3第79位賴氨酸甲基化）的研究論文，發現了一種新型組蛋白乙醯化閱讀器-YEATS結構域，揭開了組蛋白乙醯化轉錄調控研究新篇章。
真核生物基因組DNA 是以染色質形式存在的。染色質凝聚、鬆弛結構的形成，以及開放、閉合等狀態的轉換提供了一種超越DNA 序列本身的調控機制，即表觀遺傳調控。表觀遺傳調控具體機制涉及組蛋白修飾、組蛋白變體、DNA 甲基化、非編碼RNA，及染色質重塑等。其中組蛋白翻譯後修飾，被認為構成一類超越基因序列的「組蛋白密碼」，控制著遺傳信息的組織層次及其在染色質層面的解讀。組蛋白賴氨酸乙醯化是研究最早的一類組蛋白修飾。表觀遺傳學的興起就是源於1996年組蛋白乙醯化轉移酶和去乙醯化酶轉錄調控功能的發現。組蛋白乙醯化與基因活化關係密切，其中一個重要工作模型就是乙醯化組蛋白可以被特定閱讀器結構域所識別，從而招募染色質調控因子到特定區域，協同完成基因表達調控。比較為人熟知的賴氨酸乙醯化閱讀器是溴域（Bromodomain），目前數個溴域靶向的一類新藥已處於臨床試驗階段。
發表在《細胞》上的論文首次證明YEATS結構域是一類新型組蛋白乙醯化修飾「閱讀器」。通過晶體結構解析，李海濤研究組在2.3埃解析度水平闡釋了AF9蛋白YEATS結構域特異識別組蛋白H3賴氨酸9位乙醯化（H3K9ac）的分子機制。研究發現，AF9 YEATS具有免疫球蛋白家族八鏈β三明治骨架，與由四股α螺旋構成的溴域截然不同，代表了一種全新摺疊類型的組蛋白閱讀器；AF9 YEATS對乙醯化賴氨酸的特異識別由一種絲氨酸內襯的三明治芳香籠口袋實現，該口袋尺寸剛好適合扁平的乙醯化賴氨酸插入，並介由拉力氫鍵、碳氫-π等相互作用強化，實現對乙醯化修飾類型的特異性識別；組蛋白乙醯化位點特異性由YEATS對H3K9ac的周邊序列的識別所決定；構成乙醯化識別口袋的關鍵殘基在不同YEATS結構域中高度保守，而參與周邊序列識別的殘基差異較大，提示乙醯化賴氨酸識別是YEATS結構域的一個共同功能，而不同YEATS能夠識別不同乙醯化位點，對應於不同的基因表達調控功能。
AF9 YEATS結構域（綠色）識別H3K9乙醯化多肽（黃色）的複合物結構及AF9-DOT1L互作促進基因轉錄調控示意圖。
AF9蛋白是一類重要的轉錄調控因子，可以分別與組蛋白H3K79甲基化轉移酶DOT1L和超級延伸複合物（SEC）形成複合物，在轉錄起始-延伸轉換過程中發揮著重要調控作用。同時，臨床遺傳學研究表明AF9基因和MLL基因的融合（MLL-AF9）作為最常見的MLL重排類型，是導致人類急性髓細胞白血病（AML）以及急性淋巴性白血病（ALL）等疾病的驅動性因素。進一步的細胞生物學和功能基因組學研究發現，人AF9與H3K9ac修飾在全基因組水平有強烈的共定位，並且調控了包括MYC、BMP2、HOXA基因簇在內的細胞增殖分化基因的表達；此外，本研究首次表明AF9通過識別組蛋白H3K9乙醯化修飾，招募DOTL1到特定染色質區段，促進了組蛋白H3K79甲基化的共沉積和基因活化，揭示出一種新型組蛋白修飾交叉會話機制，體現了真核生物表觀遺傳調控的複雜和精密性。
目前自然界中鑑定出的含有YEATS結構域的蛋白已達數百個，遍布於70多個不同物種，從酵母到人類都保守存在。因此，本工作是繼1999年把溴域定義為組蛋白乙醯化閱讀器後，組蛋白乙醯化識別調控領域的一個重要突破，開啟了組蛋白乙醯化轉錄調控研究新方向。含有YEATS結構域的蛋白因子，如AF9、ENL、GAS41等，不僅與轉錄調控密切相關，它們的調控異常通常會導致白血病、癌症等人類疾病的發生。值得注意的是，雖然YEATS與溴域擁有類似的乙醯化賴氨酸識別功能，目前針對溴域乙醯化識別口袋的抑制劑（+）-JQ1對YEATS毫無效果，體現了YEATS乙醯化識別口袋的獨特性。因此，本研究成果不僅揭示了組蛋白乙醯化調控和人類疾病與健康的關係，也為後續YEATS結構域靶向的小分子藥物開發奠定了基礎。
本論文是清華大學醫學院李海濤實驗室與美國德克薩斯大學安德森癌症中心石曉冰實驗室的通力合作研究成果。李海濤實驗室博士後李元元和美國德克薩斯大學安德森癌症中心聞宏博士為本文共同第一作者，實驗室研究助理任永峰和醫學院2010級博士研究生王海波參與了該項工作。李海濤博士於2010年1月加入清華大學醫學院，主要研究方向是表觀遺傳調控的分子結構機理。目前已在包括《自然》、《細胞》在內的學術期刊發表研究論文、綜述或圖書章節34篇，其中一作或通訊作者18篇，迄今被同行引用3100多次。本成果是繼今年年初在《自然》和《基因與發育》發文探討組蛋白甲基化識別密碼後，李海濤研究團隊在表觀遺傳學領域的又一重要學術貢獻。本工作得到科技部973計劃、清華-北大生命科學聯合中心、生物治療協同創新中心、教育部新世紀優秀人才計劃、清華大學221人才計劃、中國博士後科學基金等資助。儀器設備使用得到「鳳凰工程」蛋白質基礎設施（清華）支持。衍射數據收集得到上海同步輻射光源BL17U1線站的大力支持與協助。
文章連結： http://www.cell.com/cell/current
供稿：醫學院 編輯：蕾蕾