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醫學院李海濤課題組《自然》發表合作論文揭示快速轉錄延伸標志性組蛋白修飾 時間:2020-07-30

高等生物能夠在環境因素刺激下,快速誘導特定基因的表達,保證了炎癥反應、熱休克應激等諸多細胞過程的發生。以組蛋白修飾和DNA甲基化為代表的表觀機制是真核生物進化出來的重要轉錄調控策略。那么在刺激誘導型轉錄過程中,是否存在標志性表觀修飾參與其中并發揮著關鍵調控作用呢?      
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北京時間2020730日,清華大學李海濤團隊攜手美國威爾康奈爾醫學院Steven Josefowicz實驗室、洛克菲勒大學C David Allis實驗室等在《自然雜志(《Nature》)正式發表題為“Histone H3.3 phosphorylation amplifies stimulation-induced transcription”(組蛋白H3.3磷酸化增強刺激誘導型轉錄) 的研究論文。研究團隊利用內毒素誘導的巨噬細胞炎性反應模型,從生物化學、功能基因組學和結構生物學角度系統揭示了組蛋白變體H3.3第31位絲氨酸磷酸化(H3.3S31ph)在刺激誘導型快速轉錄延伸過程中標志性調控作用。

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組蛋白H3.3是一類保守的“祖先級”組蛋白H3變體,是單細胞真核生物如酵母中的唯一組蛋白H3形式。與高等生物中復制依賴的組蛋白變體H3.1不同,組蛋白變體H3.3主要參與染色質動態活動調控,在轉錄、DNA損傷修復和有絲分裂等過程中發揮著重要作用。組蛋白變體H3.3 與“經典”的組蛋白H3.1或H3.2的一個重要區別在于其氨基端第31位殘基為絲氨酸(Ser或S), 而H3.1/2為丙氨酸(Ala或A)。這一氨基酸組成差異對于組蛋白H3.3的功能發揮有何意義是一個領域關注熱點。

2014年,李海濤團隊與美國MD Anderson癌癥中心的石曉冰教授實驗室曾在《自然》發表合作文章,首次發現抑癌因子ZMYND11是新型H3.3變體賴氨酸36三甲基化(H3.3K36me3)識別因子,并揭示其在抑制轉錄延伸過度活化方面的功能。在這一過程中,絲氨酸31因為其有別于丙氨酸31的氫鍵形成能力,貢獻了ZMYND11對H3.3的特異識別。H3.3的第31位絲氨酸還可以被磷酸化,然而H3.3S31ph的功能與生物物理機制還需要進一步研究。

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已知巨噬細胞被細菌脂多糖(LPS)刺激后,可以在數分鐘至一個小時內,快速上調炎癥相關基因的表達。在本工作中,作者發現在LPS刺激后,巨噬細胞中組蛋白H3.3的S31和S28位點磷酸化修飾水平顯著上升,類似現象在其他細胞類型如DC細胞、NK細胞、B細胞和神經細胞等的刺激響應過程中保守存在。進一步對巨噬細胞進行RNA-seq和ChIP-seq分析,驚奇發現H3.3S31ph富集存在于LPS導基因的基因體(gene body)區,而H3S28ph則呈互補分布,主要存在于基因增強子、啟動子、以及基因間區等區域。分別對ChIP-seq結果進行獨立的peak calling和density rank order分析,作者發現H3.3S31ph修飾特異性地附著在刺激誘導表達型基因,而并非廣譜性地結合持續表達型基因。

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那么什么上游激酶催化了H3.3S31磷酸化修飾呢?作者根據ChIP-seq結果分析,發現很多刺激轉錄的基因都是NF-kB信號通路的靶基因,并且受已知的H3.3S31激酶CHK1的干擾較小,據此作者猜測產生H3.3S31ph修飾的激酶可能是NF-kB信號通路中的關鍵激酶IKKa。進一步研究發現,IKKa會在細胞受到刺激后定位到H3.3S31ph靶基因附近;加入IKKa特異抑制劑或對其進行小RNA干擾敲降,會導致靶基因周圍H3.3S31ph水平的顯著降低,表明IKKa是該過程中產生H3.3S31ph修飾的激酶。

同時,作者發現H3K36me3而非H3K36me2修飾在刺激誘導型基因上的定位與H3.3S31ph高度重合,且同步上調。在高等動物中,只有SETD2甲基轉移酶能夠完成H3K36位點的三甲基化, 而其他同源酶例如NSD2只能完成二甲基化。

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李海濤團隊曾在2016年在Genes Dev發文首次解析出SETD2結合組蛋白底物的復合物結構。結構分析表明,發現H3S31位點位于一個正電荷富集區,這對于結合帶有負電荷的H3.3S31ph修飾極為有利。通過體外酶活實驗,作者發現H3.3S31的磷酸化修飾能夠提高SETD2的甲基轉移活力,對NSD2則沒有促進作用。進一步的復合物結構解析證明H3.3S31ph的磷酸基團與SETD2的兩個堿性殘基K1600和K1673存在靜電吸引和水介導的氫鍵作用,進而揭示了H3.3S31ph促進SETD2酶活的分子基礎。有意思的是,序列分析表明K1600和K1673殘基只在SETD2中存在且相當保守,而在NSD2等其他酶中則被替換為酸性或極性氨基酸,這也就完美解釋了為什么H3.3S31ph不能促進與NSD2直接相關的組蛋白H3.3K36me2的修飾水平。

綜上所述,生化與結構實驗共同揭示出一種H3.3S31ph順式激活H3.3K36me3酶促產生的組蛋白修飾交叉會話機制。

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已知腫瘤抑制因子ZMYND11能夠特異性地識別H3.3K36me3修飾,抑制轉錄延伸的過度活化。在本文中,作者通過結合結構分析、ITC滴定、以及ZMYND11的ChIP-seq分析,發現H3.3S31位點產生磷酸化后會因為體積排斥效應,“踢走”原本結合的ZMYND11,從而解除轉錄延伸共抑制子ZMYND11的抑制效應,促進了H3.3S31ph靶基因的活躍轉錄。本部分工作揭示出了一種H3.3S31ph對于H3.3K36me3修飾識別的二元開關(binary switch)調控機制。

總而言之,該研究對刺激誘導型基因的轉錄延伸機制從表觀遺傳層面進行了解析。刺激誘導產生的組蛋白H3.3S31ph修飾富集在基因體區,一方面促進了組蛋白H3.3K36me3修飾“書寫器”(writer)SETD2的甲基轉移酶活性,促進了轉錄延伸;另一方面拮抗了組蛋白H3.3K36me3修飾“閱讀器”(reader)ZMYND11的結合,解除了其轉錄延伸共抑制。上述表觀遺傳機制使得細胞能夠更好地響應與適應環境刺激,保證了刺激誘導型基因的快速表達。快速響應外界刺激并啟動特定基因轉錄與多種細胞反應和疾病相關,本研究發現組蛋白H3.3S31磷酸化是開啟特異性轉錄延伸激活的關鍵,為相關疾病治療提供了新視角和新靶點。

清華大學醫學院李海濤教授與美國康奈爾醫學院Steven Josefowicz助理教授是本論文的共同通訊作者。洛克菲勒大學C David Allis教授實驗室博士后Anja Armache博士和李海濤教授實驗室已畢業研究生楊爽博士為本論文共同第一作者,李海濤教授實驗室岳媛博士參加了本項工作。本項目得到了國家自然科學基金委員會、科技部重大研究計劃、北京結構生物學高精尖創新中心、北京生物結構前沿研究中心、清華-北大生命科學聯合中心以及上海同步輻射光源的支持。


原文鏈接:

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2533-0

 


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