清華醫學院李海濤課題組發文報導組蛋白巴豆醯化新閱讀器

清華醫學院李海濤課題組發文報導組蛋白巴豆醯化新閱讀器

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清華新聞網10月31日電 近日，醫學院李海濤課題組在自然子刊《自然化學生物學》（Nat Chem Biol）在線發表題為 「MOZ和DPF2的雙PHD鋅指結構域選擇性識別組蛋白巴豆醯化」（Selective Recognition of Histone Crotonylation by Double PHD Fingers of MOZ and DPF2）的研究論文，發現雙PHD鋅指（DPF）結構域具有特異識別組蛋白巴豆醯化修飾的分子功能。本工作是李海濤研究團隊繼今年年初首次把YEATS結構域鑑定為組蛋白巴豆醯化閱讀器後（Li et al，Mol Cell 2016；Zhao et al，Cell Res 2016），在組蛋白修飾調控領域取得的又一重要突破，深化了人們對巴豆醯化修飾生物學的理解和認識。

組蛋白修飾是表觀遺傳調控基本機制之一，被認為構成一類「組蛋白密碼」，調控著遺傳信息在染色質層面的解讀，在基因表達和細胞命運決定等過程中發揮著重要作用。近年來，眾多新型組蛋白修飾被不斷發現，其中一大類是組蛋白賴氨酸醯基化修飾，如乙醯化（ac）、丙醯化（pr）、丁醯化（bu），和巴豆醯化（cr）等。其中組蛋白巴豆醯化是一類從酵母到人類都保守存在的修飾密碼，與活躍轉錄和基因激活密切相關，調控著基因表達及配子成熟等生物學過程。自2011年組蛋白巴豆醯化被芝加哥大學趙英明實驗室報導（Tan et al, Cell 2011）以來，圍繞組蛋白巴豆醯化的產生、消除和識別機制研究成為了一個領域熱點。2014年香港大學李祥實驗室發現SIRT3具有組蛋白巴豆醯化的消除活力（Bao et al，eLife 2014）；2015年洛克菲勒大學C David Allis實驗室報導了P300具有組蛋白巴豆醯化修飾活力（Sabari et al，Mol Cell 2015）；而緊跟著的一個學科機遇與挑戰則是發現作為「組蛋白密碼」直接詮釋者的巴豆醯化修飾特異識別閱讀器。
 

圖1：DPF結構域偏好識別組蛋白巴豆醯化促進轉錄與染色質重塑。

本研究對MOZ和DPF2兩類表觀調控因子的DPF結構域開展了系統的定量結合和複合物晶體結構解析，發現DPF結構域是一類組蛋白巴豆醯化偏好識別閱讀器；其識別組蛋白H3第14位賴氨酸（H3K14)巴豆醯化修飾的親和力是對應乙醯化修飾的4-8倍，是對應丁醯化或丙醯化修飾的2-4倍。結構解析表明MOZ的DPF結構域對組蛋白H3K14cr的識別誘導組蛋白H3的柔性尾巴形成了兩個剛性的α螺旋，同時平面性的巴豆醯化基團舒適而緊密地插入到一個位於DPF中心的疏水口袋被識別（圖1）。本研究還對DPF結構域和H3K14的丙醯化（H3K14pr）和丁醯化（H3K14bu）的複合物結構進行了解析。結構比較發現相對於兩個碳烴鏈的乙醯和三個碳烴鏈的丙醯，DPF結構域口袋大小更加適合由四碳烯烴鏈組成的巴豆醯。丁醯雖然也是四個碳的烴鏈，但是由於丁醯的烷烴鏈沒有雙鍵，相對於巴豆醯多了兩個氫原子，而恰恰是多出的氫原子可以產生空間位阻，使得DPF口袋不能以能量最優方式識別丁醯化修飾，從而闡明了DPF結構域偏好識別巴豆醯化修飾的原因。與此同時，本研究還開展了免疫螢光共定位、染色質免疫共沉澱偶聯螢光定量PCR等細胞功能實驗，發現MOZ與H3K14cr共定位於HOXA家族靶基因的啟動子區，協同調控著HOXA基因家族的表達。 

圖2：三類組蛋白乙醯化閱讀器擁有截然不同的巴豆醯化識別機制。

DPF結構域作為一類新摺疊類型的組蛋白巴豆醯化閱讀器，擁有 「底部封堵」 型閱讀器口袋，主要通過緊密的範氏接觸和疏水作用實現巴豆醯化特異識別。這一機制與先前報到的YEATS結構域的 「末端開放」 型和Bromo結構域的 「側面開放」 型醯基化識別口袋大不相同，體現出DPF結構域閱讀器口袋的獨特性（圖2）。含有DPF結構域的蛋白因子，如MOZ、MORF、DPF1、DPF2和DPF3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。MOZ是一類重要的乙醯化轉移酶，可以調控HOX基因家族的表達，對於造血幹細胞的分化至關重要，其在基因上易位並形成融合蛋白與白血病的發生直接相關。MOZ還可以與BRPF1/2/3、EAF6和ING5等重要的表觀遺傳因子形成大複合物，來共同調控基因的轉錄和表達。而DPF2家族成員是BAF染色質重塑複合物中的重要亞基，在生物個體的早期發育或者癌症發生等過程有著關鍵作用。因此，本工作所發現的DPF組蛋白巴豆醯化識別功能提示巴豆醯化修飾在上述生理或病理過程中扮演著重要角色，為日後組蛋白巴豆醯化調控研究提供了一個全新的思路。

清華大學醫學院李海濤教授為本論文唯一通訊作者，醫學院2013級博士研究生熊小哲為論文第一作者，承擔了從結構解析到功能分析的大部分工作。李海濤研究團隊成員、北京結構生物學高精尖創新中心卓越學者李元元博士最早鑑定出DPF結構域的巴豆醯化識別活力。論文第二作者洛克菲勒大學Tatyana Panchenko博士負責完成巴豆醯化修飾核小體pull-down實驗。醫學院和生科院博士研究生楊爽、趙帥、閆培強和張文昊等同學參與了本項工作。洛克菲勒大學C. David Allis教授、芝加哥大學趙英明教授和清華大學生命科學院頡偉教授作為共同作者提供了專家指導和建議。本課題得到科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金委重大研究計劃和教育部自主科研計劃等項目資助。衍射數據收集得到上海同步輻射光源的大力支持與協助。

論文連結：http://dx.doi.org/10.1038/nchembio.2218

供稿：醫學院 編輯：李華山