清华大学3月连续发文破译“组蛋白密码”识别新机制

        清华大学医学院基础医学系和结构生物学中心李海涛课题组日前在国际权威学术期刊《自然》(Nature, 2014年3月2日)和《基因与发育》(Genes & Dev，2014年3月3日)在线发表两篇论文，从结构生物学角度解析组蛋白甲基化修饰识别新机制，进一步揭开错综复杂的表观遗传调控(epigenetic regulation)的神秘面纱。

　　何谓组蛋白密码?

　　组蛋白在翻译后的修饰中会发生改变，从而提供一种识别的标志，为其它蛋白与DNA的结合产生协同或拮抗效应，它是一种动态转录调控成分，称为组蛋白密码(Histone code)。

　　组蛋白修饰类型

　　真核生物基因表达调控不仅依赖于特定的DNA 序列元件，而且还受到特定组蛋白翻译后修饰的精密调节。目前鉴定出的组蛋白修饰化学类型已超过25种，包括甲基化，酰基化，磷酸化等。这些组蛋白修饰及其组合被认为构成一组广义上的“组蛋白密码”，是表观遗传调控的重要机制之一。此外，各种组蛋白(H1，H2A, H2B，H3和H4)还普遍存在不同的序列变体。组蛋白变体和组蛋白修饰赋予组蛋白巨大的信息荷载能力，参与构成一层超越DNA序列的表观遗传信息，在染色质结构调节及基因表达调控等过程中起着关键作用。目前发现很多疾病与组蛋白修饰异常有着非常重要的关联，因此研究组蛋白修饰的产生，消除以及读取机制，对深入了解基因功能调控机制以及疾病的发生和治疗等都有着重要意义。

　　发表在《自然》上的论文在原子水平精细阐释了一种肿瘤抑制因子ZMYND11利用其串联“Bromo-ZnF-PWWP”结构域识别组蛋白变体H3.3K36me3修饰的分子机制(图左a)。

　　左：a) 组蛋白H3.3K36me3被ZMYND11串联Bromo-ZnF-PWWP结构域识别

　　右：b)组蛋白H3“K4me3-R8me2a”被Spindlin1串联Spin/Ssty结构域组合识别

　　功能实验与生物信息学分析进一步表明ZMYND11通过识别组蛋白H3.3K36me3修饰，在转录延伸水平抑制了肿瘤发生相关基因的过度表达，进而抑制肿瘤发生。

　　甲基化识别蛋白

　　该论文首次揭示出生物体内存在组蛋白变体特异的甲基化识别蛋白。这种对组蛋白变体和甲基化修饰类型的双重识别，是组蛋白修饰识别机制上的新亮点，体现了真核生物表观遗传调控的复杂性和重要性。本论文是在清华大学李海涛实验室，美国德克萨斯大学安德森癌症中心的施晓冰助理教授实验室以及美国贝勒医学院的李蔚助理教授实验室的通力协作下完成的。整个研究涵盖了结构生物学、细胞生物学，和功能基因组学等内容，充分体现了当前生命科学研究中多学科深度交叉的趋势。作为共同通讯作者，李海涛课题组负责论文中的结构生物学和生物物理结合实验部分。李海涛课题组博士后李元元为本文共同第一作者，实验室研究助理任永峰参与了该项工作。

　　发表在《基因与发育》杂志上的论文报导了Spindlin1蛋白特异识别一种新型组蛋白甲基化修饰组合 H3“K4me3─R8me2a”的分子结构基础，并结合细胞生物学研究，探讨了该识别在结肠癌Wnt信号通路中的激活调控作用(图1b)。 Spindlin1是Spin/Ssty家族成员之一，参与细胞周期的调控，在多种肿瘤中高表达。结构研究表明Spindlin1分别通过串联Spin /Ssty结构域2和1特异性识别组蛋白H3K4me3和H3R8me2a甲基化修饰;利用等温量热滴定法测定该识别的结合常数高达45纳摩尔，是目前已报导的结合力最强的组蛋白修饰识别事件，充分显示了组蛋白修饰多价态识别的潜力。

　　研究意义：为遗传因子靶向的小分子药物开发奠定基础

　　李海涛博士于2010年1月受聘为清华大学医学院特别研究员，主要从事结构表观遗传学研究。他曾于2007年与合作者洛克菲勒大学C. David Allis教授一起在《自然综述：分子细胞生物学》(Nat Rev Mol Cell Biol 8: 983-994)撰写综述正式提出组蛋白修饰的多价态组合识别学说;并于2011年分别在《自然-结构分子生物学》(Nat StructMolBiol 18: 769-776)(通讯作者)和《细胞》(Cell 145： 692-706)(第二作者)杂志发表论文报导人类ATRX综合征蛋白特异识别组蛋白H3“K4me0-K9me3”甲基化修饰组合，以及人类BPTF蛋白在核小体水平特异识别组蛋白H3甲基化和H4乙酰化修饰组合的研究成果。本次工作是时隔两年多后，李海涛课题组在组合型组蛋白修饰识别方面作出的新突破。相关研究成果不仅有助于揭示组蛋白修饰调控和人类疾病与健康的关系，也为后续表观遗传因子靶向的小分子药物开发奠定了基础。

　　研究人员组成及项目来源

　　清华大学医学院李海涛特别研究员和生命科学院吴畏教授是本论文共同通讯作者;医学院2010级博士研究生苏晓楠和生命科学学院博士后朱贵欣为该论文共同第一作者;清华大学生命科学院2010级本科生(清华学堂班)学生丁霄哲同学是本论文第三作者。本论文合作研究小组还包括美国密歇根大学窦亚丽副教授，北京生命科学研究所的朱冰研究员等。

　　以上研究得到科技部973计划，国家基金委自然科学基金，教育部新世纪优秀人才计划，清华大学221人才计划，中国博士后科学基金，清华-北大生命科学联合中心等资助。衍射数据收集得到上海同步辐射光源以及北京同步辐射光源的大力支持与协助。