清華醫(yī)學(xué)院李海濤課題組發(fā)文報(bào)導(dǎo)組蛋白巴豆酰化新閱讀器

清華新聞網(wǎng)10月31日電 近日，醫(yī)學(xué)院李海濤課題組在自然子刊《自然化學(xué)生物學(xué)》（Nat Chem Biol）在線發(fā)表題為 “MOZ和DPF2的雙PHD鋅指結(jié)構(gòu)域選擇性識(shí)別組蛋白巴豆酰化”（Selective Recognition of Histone Crotonylation by Double PHD Fingers of MOZ and DPF2）的研究論文，發(fā)現(xiàn)雙PHD鋅指（DPF）結(jié)構(gòu)域具有特異識(shí)別組蛋白巴豆酰化修飾的分子功能。本工作是李海濤研究團(tuán)隊(duì)繼今年年初首次把YEATS結(jié)構(gòu)域鑒定為組蛋白巴豆酰化閱讀器后（Li et al，Mol Cell 2016；Zhao et al，Cell Res 2016），在組蛋白修飾調(diào)控領(lǐng)域取得的又一重要突破，深化了人們對(duì)巴豆酰化修飾生物學(xué)的理解和認(rèn)識(shí)。

組蛋白修飾是表觀遺傳調(diào)控基本機(jī)制之一，被認(rèn)為構(gòu)成一類“組蛋白密碼”，調(diào)控著遺傳信息在染色質(zhì)層面的解讀，在基因表達(dá)和細(xì)胞命運(yùn)決定等過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。近年來(lái)，眾多新型組蛋白修飾被不斷發(fā)現(xiàn)，其中一大類是組蛋白賴氨酸酰基化修飾，如乙酰化（ac）、丙酰化（pr）、丁酰化（bu），和巴豆酰化（cr）等。其中組蛋白巴豆酰化是一類從酵母到人類都保守存在的修飾密碼，與活躍轉(zhuǎn)錄和基因激活密切相關(guān)，調(diào)控著基因表達(dá)及配子成熟等生物學(xué)過(guò)程。自2011年組蛋白巴豆酰化被芝加哥大學(xué)趙英明實(shí)驗(yàn)室報(bào)導(dǎo)（Tan et al, Cell 2011）以來(lái)，圍繞組蛋白巴豆酰化的產(chǎn)生、消除和識(shí)別機(jī)制研究成為了一個(gè)領(lǐng)域熱點(diǎn)。2014年香港大學(xué)李祥實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)SIRT3具有組蛋白巴豆酰化的消除活力（Bao et al，eLife 2014）；2015年洛克菲勒大學(xué)C David Allis實(shí)驗(yàn)室報(bào)導(dǎo)了P300具有組蛋白巴豆酰化修飾活力（Sabari et al，Mol Cell 2015）；而緊跟著的一個(gè)學(xué)科機(jī)遇與挑戰(zhàn)則是發(fā)現(xiàn)作為“組蛋白密碼”直接詮釋者的巴豆酰化修飾特異識(shí)別閱讀器。
 

圖1：DPF結(jié)構(gòu)域偏好識(shí)別組蛋白巴豆酰化促進(jìn)轉(zhuǎn)錄與染色質(zhì)重塑。

本研究對(duì)MOZ和DPF2兩類表觀調(diào)控因子的DPF結(jié)構(gòu)域開(kāi)展了系統(tǒng)的定量結(jié)合和復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)解析，發(fā)現(xiàn)DPF結(jié)構(gòu)域是一類組蛋白巴豆酰化偏好識(shí)別閱讀器；其識(shí)別組蛋白H3第14位賴氨酸（H3K14)巴豆酰化修飾的親和力是對(duì)應(yīng)乙酰化修飾的4-8倍，是對(duì)應(yīng)丁酰化或丙酰化修飾的2-4倍。結(jié)構(gòu)解析表明MOZ的DPF結(jié)構(gòu)域?qū)M蛋白H3K14cr的識(shí)別誘導(dǎo)組蛋白H3的柔性尾巴形成了兩個(gè)剛性的α螺旋，同時(shí)平面性的巴豆酰化基團(tuán)舒適而緊密地插入到一個(gè)位于DPF中心的疏水口袋被識(shí)別（圖1）。本研究還對(duì)DPF結(jié)構(gòu)域和H3K14的丙酰化（H3K14pr）和丁酰化（H3K14bu）的復(fù)合物結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解析。結(jié)構(gòu)比較發(fā)現(xiàn)相對(duì)于兩個(gè)碳烴鏈的乙酰和三個(gè)碳烴鏈的丙酰，DPF結(jié)構(gòu)域口袋大小更加適合由四碳烯烴鏈組成的巴豆酰。丁酰雖然也是四個(gè)碳的烴鏈，但是由于丁酰的烷烴鏈沒(méi)有雙鍵，相對(duì)于巴豆酰多了兩個(gè)氫原子，而恰恰是多出的氫原子可以產(chǎn)生空間位阻，使得DPF口袋不能以能量最優(yōu)方式識(shí)別丁酰化修飾，從而闡明了DPF結(jié)構(gòu)域偏好識(shí)別巴豆酰化修飾的原因。與此同時(shí)，本研究還開(kāi)展了免疫熒光共定位、染色質(zhì)免疫共沉淀偶聯(lián)熒光定量PCR等細(xì)胞功能實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)MOZ與H3K14cr共定位于HOXA家族靶基因的啟動(dòng)子區(qū)，協(xié)同調(diào)控著HOXA基因家族的表達(dá)。 

圖2：三類組蛋白乙酰化閱讀器擁有截然不同的巴豆酰化識(shí)別機(jī)制。

DPF結(jié)構(gòu)域作為一類新折疊類型的組蛋白巴豆酰化閱讀器，擁有 “底部封堵” 型閱讀器口袋，主要通過(guò)緊密的范氏接觸和疏水作用實(shí)現(xiàn)巴豆酰化特異識(shí)別。這一機(jī)制與先前報(bào)到的YEATS結(jié)構(gòu)域的 “末端開(kāi)放” 型和Bromo結(jié)構(gòu)域的 “側(cè)面開(kāi)放” 型酰基化識(shí)別口袋大不相同，體現(xiàn)出DPF結(jié)構(gòu)域閱讀器口袋的獨(dú)特性（圖2）。含有DPF結(jié)構(gòu)域的蛋白因子，如MOZ、MORF、DPF1、DPF2和DPF3等，不僅與轉(zhuǎn)錄調(diào)控密切相關(guān)，它們的調(diào)控異常通常會(huì)導(dǎo)致白血病、癌癥等人類疾病的發(fā)生。MOZ是一類重要的乙酰化轉(zhuǎn)移酶，可以調(diào)控HOX基因家族的表達(dá)，對(duì)于造血干細(xì)胞的分化至關(guān)重要，其在基因上易位并形成融合蛋白與白血病的發(fā)生直接相關(guān)。MOZ還可以與BRPF1/2/3、EAF6和ING5等重要的表觀遺傳因子形成大復(fù)合物，來(lái)共同調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)。而DPF2家族成員是BAF染色質(zhì)重塑復(fù)合物中的重要亞基，在生物個(gè)體的早期發(fā)育或者癌癥發(fā)生等過(guò)程有著關(guān)鍵作用。因此，本工作所發(fā)現(xiàn)的DPF組蛋白巴豆酰化識(shí)別功能提示巴豆酰化修飾在上述生理或病理過(guò)程中扮演著重要角色，為日后組蛋白巴豆酰化調(diào)控研究提供了一個(gè)全新的思路。

清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院李海濤教授為本論文唯一通訊作者，醫(yī)學(xué)院2013級(jí)博士研究生熊小哲為論文第一作者，承擔(dān)了從結(jié)構(gòu)解析到功能分析的大部分工作。李海濤研究團(tuán)隊(duì)成員、北京結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心卓越學(xué)者李元元博士最早鑒定出DPF結(jié)構(gòu)域的巴豆酰化識(shí)別活力。論文第二作者洛克菲勒大學(xué)Tatyana Panchenko博士負(fù)責(zé)完成巴豆酰化修飾核小體pull-down實(shí)驗(yàn)。醫(yī)學(xué)院和生科院博士研究生楊爽、趙帥、閆培強(qiáng)和張文昊等同學(xué)參與了本項(xiàng)工作。洛克菲勒大學(xué)C. David Allis教授、芝加哥大學(xué)趙英明教授和清華大學(xué)生命科學(xué)院頡偉教授作為共同作者提供了專家指導(dǎo)和建議。本課題得到科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委重大研究計(jì)劃和教育部自主科研計(jì)劃等項(xiàng)目資助。衍射數(shù)據(jù)收集得到上海同步輻射光源的大力支持與協(xié)助。

論文鏈接：http://dx.doi.org/10.1038/nchembio.2218

供稿：醫(yī)學(xué)院 編輯：李華山