组蛋白去甲基化酶KDM5A通过无序区与核小体酸性斑及DNA的多价相互作用激活催化活性的机制研究

本研究揭示了组蛋白去甲基化酶KDM5A通过其内在无序区（IDR）中的精氨酸富集基序，与核小体H2A/H2B酸性斑及DNA发生多价相互作用，从而调控H3K4me3去甲基化活性的分子机制。研究人员通过生化和结构生物学手段，发现IDR的双功能相互作用对KDM5A的催化活性和核小体结合至关重要，为理解染色质修饰酶的动态调控提供了新范式，并为靶向KDM5A的癌症治疗策略奠定理论基础。

　　

在表观遗传调控领域，组蛋白修饰的动态平衡对基因表达调控至关重要。其中，组蛋白H3第4位赖氨酸的三甲基化（H3K4me3）作为转录激活的标志，其去除由KDM5家族去甲基化酶催化。KDM5A作为该家族核心成员，在多种癌症中异常高表达，但其在核小体底物上的精确调控机制尚不明确。尤其令人困惑的是，KDM5A包含一个高度保守但结构未解析的内在无序区（IDR），其功能长期未知。这项由加州大学旧金山分校团队完成的研究，首次揭示了IDR通过精氨酸富集基序介导的多价相互作用调控KDM5A活性的全新机制，论文发表于《Journal of Molecular Biology》。

研究团队综合运用重组蛋白纯化、电泳迁移率变动分析（EMSA）、定量Western blot、时间分辨荧光能量转移（TR-FRET）和交叉链接质谱等技术。通过构建KDM5A催化核心片段（KDM5A^CAT，1-801aa）及其精氨酸突变体（KDM5A^MutR），结合野生型与酸性斑突变（APM）核小体，系统分析了IDR的功能特性。

H2A/H2B酸性斑刺激KDM5A催化活性
竞争性EMSA实验显示，经典酸性斑结合肽LANA_1-23可剂量依赖性阻断KDM5A与核小体结合。APM核小体结合实验证实酸性斑贡献约3倍结合亲和力，而催化活性检测揭示酸性斑缺失导致9倍活性下降，表明酸性斑相互作用对酶活性的调控远超单纯结合效应。

ARID-PHD1间无序区的双功能调控
生物信息学分析发现KDM5A的IDR中存在三个保守的精氨酸富集基序（²¹⁷RTRR、²⁶⁴RR、²⁸⁰RRR）。KDM5A^MutR完全丧失核小体去甲基化能力，但保留对游离H3肽的活性。交叉链接质谱显示IDR在DNA存在时发生构象重排，EMSA证实IDR和ARID结构域协同贡献DNA结合能力。

侧翼DNA的协同调控作用
含19bp侧翼DNA的187bp核小体使KDM5A^CAT结合亲和力提升2倍，表观K_m^app降低5倍。值得注意的是，侧翼DNA可完全补偿APM核小体的结合缺陷，但无法挽救KDM5A^MutR的催化失活，表明IDR的精氨酸基序对催化构象的不可替代性。

AlphaFold3的结构预测验证
深度学习预测显示IDR精氨酸直接插入酸性斑的电荷口袋，其中²⁸⁰RRR占据经典精氨酸锚定位（P0），而²¹⁷RTRR可能参与动态结合。但所有预测模型均未捕获IDR-DNA相互作用，提示这种结合具有高度动态性。

这项研究首次阐明KDM5A通过IDR实现"一区双功能"的创新机制：精氨酸基序既作为酸性斑"分子胶水"，又作为DNA结合模块。这种多价相互作用形成"模糊识别"（fuzzy interaction）网络，使KDM5A能在核小体表面动态扫描并精确定位催化中心。该发现不仅解释了KDM5家族独特的ARID-PHD1插入结构域的功能意义，更为开发靶向IDR的变构抑制剂提供新思路——通过干扰多价相互作用而非直接抑制催化中心，可能实现更高选择性的KDM5A调控。鉴于KDM5A在乳腺癌、肺癌等多种癌症中的驱动作用，这一机制研究为表观遗传靶向治疗开辟了全新干预策略。