上海交大最新Nature发文:首次揭示核小体对组蛋白修饰酶的调控机制

【字体: 时间:2019年09月11日 来源:生物通

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  MLL复合物是调控基因转录激活的关键表观遗传因子,参与造血系统发育、成脂分化、个体发育等重要生理过程。其基因突变与白血病、Kabuki综合症、自闭症及多种实体肿瘤的病理机制密切相关。

  

MLL复合物是调控基因转录激活的关键表观遗传因子,参与造血系统发育、成脂分化、个体发育等重要生理过程。其基因突变与白血病、Kabuki综合症、自闭症及多种实体肿瘤的病理机制密切相关。

来自上海交通大学医学院附属第九人民医院,上海精准医学研究院的研究人员发表了题为“Structural basis of nucleosome recognition and modification by MLL methyltransferases”,首次揭示了染色质的核小体结构对组蛋白修饰酶MLL(Mixed Lineage Leukemia)复合物的酶活调控及其分子机制,阐明了组蛋白H2B第120位赖氨酸(H2BK120)的单泛素化修饰对MLL甲基化活性的串扰调控机制(histone crosstalk),并发现了MLL复合物关键组分WDR5蛋白对MLL家族成员活性调控的迥异的分子机理及底物特异性调控机制。

这一研究发现公布在9月4日Nature杂志上,由于黄晶课题组完成,黄晶研究员为文章通讯作者,薛瀚和姚曈晖为第一作者。在染色质核小体水平上揭示MLL复合物催化组蛋白H3第4位赖氨酸(H3K4)甲基化修饰的分子机制,也为MLL复合物的靶向药物开发提供了新的研究思路。

同时,Nature 杂志发表了题为“A key to unlocking chromatin revealed by complex structures” 的评论文章。

这项研究工作通过冷冻电镜单颗粒重构技术分别解析了人源MLL1复合物和MLL3复合物与泛素化修饰核小体及未修饰核小体的近原子分辨率结构,着重探索了MLL复合物在底物为核小体时的组蛋白修饰机制,以及MLL 家族成员底物特异性的分子机理。组蛋白修饰通常发生在延伸于核小体结构之外的组蛋白尾端(histone tail)。

以往研究认为,MLL复合物主要是通过对组蛋白H3尾端序列的特异性识别来进行组蛋白H3K4位点的甲基化修饰。而该工作表明,MLL复合物与染色质的核小体结构之间存在多个位点的特异性相互作用,促使MLL催化结构域的底物结合口袋在空间上接近组蛋白H3尾端区域,极大的提高了MLL复合物对核小体底物的催化效率。

MLL复合物与核小体的特异性识别,也促使MLL的组蛋白修饰酶活性可以受到核小体上已有的其它翻译后修饰类型及其结合蛋白的调控。该工作表明,组蛋白H2BK120位点的单泛素化修饰可通过与MLL复合物的直接相互作用,促进MLL复合物在核小体表面的定向结合,从而增强MLL对核小体的组蛋白修饰酶活性。

此外,该工作还进一步发现,负责在基因启动子区域添加H3K4位点二甲基和三甲基化标记的MLL1蛋白中存在的AS(activation segment)结构域对MLL1复合物发挥高效的催化活性起到十分重要的调控作用;并且,AS结构域的构象是由WDR5所介导的多蛋白相互作用所维持的。然而,在负责执行基因增强子区域H3K4位点一甲基化修饰的MLL3复合物中,由于MLL3蛋白缺少AS结构域,导致WDR5-MLL3-RBBP5三元复合物相互作用模式发生了改变,致使WDR5与MLL3的催化结构域直接结合,抑制了MLL3的组蛋白转移酶活性。

上海精准医学研究院隶属上海交通大学医学院,依托第九人民医院建设。此文也是上海精准医学研究院自2017年成立以来的第四篇CNS论文(美国《Cell》、英国《Nature》和美国《Science》杂志,是国际公认的三种享有最高学术声誉的期刊,简称CNS)。

原文标题:

Structural basis of nucleosome recognition and modification by MLL methyltransferases

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1528-1


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