2020年12月24日，南方科技大學生物系高級研究學者李婉秋攜手北京師範大學教授王佔新團隊、紀念斯隆-凱薩琳癌症研究中心教授Dinshaw J. Patel團隊和史丹福大學教授Or Gozani團隊在《自然》（Nature）雜誌在線發表了題為「Molecular basis of nucleosomal H3K36 methylation by NSD methyltransferases（NSD家族甲基轉移酶甲基化核小體H3K36的分子機制）」的研究論文。
該研究首次報導了NSD2和NSD3蛋白分別與核小體複合物的高解析度冷凍電鏡結構，揭示了NSD家族蛋白特異性識別和甲基化組蛋白H3K36的分子機制，闡明了NSD蛋白中重要的致癌突變位點活性增強的分子激活機理。為針對NSD家族蛋白異常過量表達和突變等引起的多發性骨髓瘤、急性淋巴細胞白血病等靶向治療研究奠定了分子基礎。
基因組DNA纏繞在組蛋白八聚體（H2A, H2B, H3和 H4）上形成核小體，核小體再進一步逐級摺疊壓縮組裝成染色質。組蛋白賴氨酸甲基轉移酶通過催化轉移甲基基團到組蛋白H3和H4末端特定的賴氨酸側鏈上，形成組蛋白甲基化標記，從而影響基因轉錄、DNA複製和DNA修復等過程，對維持染色質穩定和基因表達調控具有重要作用。組蛋白甲基轉移酶已被報導和多種癌症、疾病等發生密切相關，它們被作為治療靶點的潛力無限。
NSD家族蛋白是組蛋白H3第36位賴氨酸（H3K36）特異的甲基轉移酶，有NSD1、NSD2 (MMSET/WHSC1) 和NSD3 (WHSC1L1) 三個成員。它們雖序列上同源，但功能上並不冗餘，NSD1或NSD2基因敲除均會導致小鼠死亡。NSD家族蛋白過表達或者突變與多種癌症發生密切相關。例如多發性骨髓瘤（MM），是影響著全世界成千上萬病人以及病人家庭的惡性血液腫瘤。在多發性骨髓瘤病人中，有15-20%是由於NSD2的異常過表達所導致。急性淋巴細胞白血病（ALL）是兒科中被診斷出最常見的血液疾病，然而大約有10%的小兒急性淋巴細胞白血病病人攜帶了NSD2蛋白E1099K突變；此外，5-10%套細胞淋巴瘤病人以及肺癌、結腸癌和甲狀腺癌等病人中也有發現NSD2(E1099K) 突變。NUP98–NSD1 融合蛋白與急性髓細胞白血病（AML）相關，NSD3也在乳腺癌、肺鱗狀細胞癌等癌症中異常過量表達。由此可見，NSD家族蛋白被認為是潛在的癌症靶向藥物治療靶點。已知NSD甲基轉移酶表現出一種自抑制狀態，其通過與核小體結合而解除自抑制，使組蛋白H3K36位點可以被二甲基化。然而，這一過程的分子機制尚不清楚。
該研究利用冷凍電鏡單顆粒技術，解析了NSD3、NSD3(E1181K/T1232A)致癌突變體和NSD2(E1099K/T1150A)致癌突變體分別與核小體結合複合物冷凍電鏡結構。研究人員發現，NSD2/NSD3與核小體的結合會導致核小體出口處連接區域 (linker region) DNA打開，從而使NSD2/NSD3的催化結構域插入到打開的DNA片段與組蛋白八聚體之間。NSD2/NSD3蛋白多個帶正電胺基酸與核小體SHL -7、SHL 0位置處DNA磷酸骨架相互作用，將NSD2/NSD3穩定在核小體上。與此同時，NSD2/NSD3與組蛋白H3的N端α螺旋、H2A的C末端有多個相互作用位點（如圖1）。研究人員根據NSD3與核小體複合物結構信息設計了一系列突變體，發現NSD3蛋白的催化活性均不同程度降低。
圖1 NSD3(E1181K/T1232A)與核小體複合物冷凍電鏡結構電子密度圖。(a) 1:1結合狀態，(b) 2:1結合狀態。
值得一提的是，通過對比野生型NSD3核小體複合物結構與NSD2(E1099K/T1150A)與核小體的複合物、NSD3(E1181K/T1232A)與核小體複合物結構，研究人員發現，NSD2中著名的致癌突變位點E1099K，即帶負電胺基酸E1099突變成帶正電胺基酸K1099後，NSD2與核小體之間的靜電作用增強，從而導致了NSD2活性增強。而另一個致癌突變位點 NSD3(T1232A) [對應的NSD2(T1150A)]，當蘇氨酸T突變成丙氨酸A，導致H3尾部向A1232位點靠近，形成了一對新的氫鍵，使H3K36更容易進入催化口袋，從而導致酶活性增強。這些致癌突變不僅增強了體外催化活性，而且促進了癌細胞增殖以及異種移植瘤生長（如圖2）。
圖2 NSD2/3致癌突變位點與核小體之間的相互作用 (a-c)，NSD2/3致癌突變體促進癌細胞增殖和異種移植瘤生長 (d-e)。
李婉秋、北京師範大學已畢業博士生田偉、史丹福大學博士後袁剛和北京師範大學已畢業博士生鄧譜涓為本論文共同第一作者，王佔新、Dinshaw J. Patel和Or Gozani為本論文的共同通訊作者。南方科技大學為第一作者單位。
本項目獲得了南方科技大學校長基金、校長卓越博士後項目和深圳市科技創新委員會基礎研究項目等資助，並得到了由深圳市發改委投資建設的南方科技大學冷凍電鏡中心大力支持。本項目所有冷凍電鏡數據採集、處理均在南方科技大學冷凍電鏡中心進行，南方科技大學冷凍電鏡中心為本項目順利推進提供了堅實保障。
來源：南方科技大學 新媒體中心新聞中心 冷凍電鏡中心、相關院系通訊員：吳芳編輯：吳一敏主圖設計：丘妍排版：李思穎、張琦值班編輯：李思穎