醫(yī)學(xué)院李海濤課題組揭示致癌組蛋白突變抑制SETD2甲基轉(zhuǎn)移酶活力的分子基礎(chǔ)

清華新聞網(wǎng)8月3日電 7月31日，《基因與發(fā)育》(Genes & Development) 雜志發(fā)表了醫(yī)學(xué)院李海濤教授課題組題為“甲基轉(zhuǎn)移酶SETD2識(shí)別致癌組蛋白的分子基礎(chǔ)”（《Molecular basis for oncohistone H3 recognition by SETD2 methyltransferase》）的研究論文。本工作首次揭示出組蛋白H3致癌點(diǎn)突變（oncogenic mutation）通過(guò)抑制甲基轉(zhuǎn)移酶SETD2的甲基轉(zhuǎn)移活性導(dǎo)致癌癥發(fā)生的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，為SETD2或致癌組蛋白靶向的藥物設(shè)計(jì)提供了新思路。

甲基轉(zhuǎn)移酶SETD2識(shí)別致癌組蛋白突變的分子機(jī)制。

表觀(guān)遺傳在從基因表達(dá)調(diào)控到細(xì)胞命運(yùn)決定的眾多生物學(xué)過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。組蛋白翻譯后修飾是一類(lèi)重要的表觀(guān)遺傳調(diào)控機(jī)制，被認(rèn)為構(gòu)成一類(lèi)廣義的“組蛋白密碼”，調(diào)控著染色質(zhì)層面的遺傳信息解讀。組蛋白修飾調(diào)控因子（如乙酰化和去乙?；?，甲基化和去甲基化酶等）異常通常會(huì)導(dǎo)致人類(lèi)的各種疾病尤其是癌癥的發(fā)生。近五年來(lái)的研究表明，組蛋白自身突變也會(huì)導(dǎo)致癌癥。有趣的是，這些突變往往發(fā)生在組蛋白的賴(lài)氨酸位點(diǎn)或其臨近殘基，比如組蛋白H3第9位，27位和36位的賴(lài)氨酸或第34位甘氨酸等。上述組蛋白突變導(dǎo)致癌癥發(fā)生的生化、細(xì)胞和分子機(jī)制是當(dāng)前表觀(guān)遺傳學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

組蛋白H3第36位賴(lài)氨酸到甲硫氨酸（H3K36M）和異亮氨酸（H3K36I）的點(diǎn)突變已經(jīng)在成軟骨細(xì)胞瘤，結(jié)腸直腸癌等病人樣本中被發(fā)現(xiàn)。H3K36位點(diǎn)能夠被多種甲基化酶修飾，包括NSD1/2/3，ASH1L和SETD2等。其中SETD2能夠在H3K36位點(diǎn)上產(chǎn)生三甲基化修飾（H3K36me3），并在轉(zhuǎn)錄延伸，RNA剪接和DNA損傷修復(fù)等過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵調(diào)節(jié)作用。今年五月，美國(guó)洛克菲勒大學(xué)的C. David Allis教授和梅奧診所的張志國(guó)教授分別在《科學(xué)》雜志發(fā)表論文，發(fā)現(xiàn)H3K36M或H3K36I突變可以通過(guò)一種“競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合”機(jī)制“毒害”SETD2等甲基轉(zhuǎn)移酶活力，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)組蛋白H3K36甲基化水平整體降低，進(jìn)而改變癌癥相關(guān)基因表達(dá)并誘導(dǎo)癌癥發(fā)生。與上述研究互補(bǔ)，李海濤教授課題組的這篇發(fā)表在《基因與發(fā)育》的論文在2.05埃和1.5埃分辨率水平解析了SETD2的催化結(jié)構(gòu)域與H3K36M/I突變多肽的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)，首次揭示出SETD2識(shí)別致癌組蛋白突變的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；同時(shí)本研究還結(jié)合突變體酶活分析鑒定出組蛋白識(shí)別關(guān)鍵殘基，并通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)性酶活實(shí)驗(yàn)證實(shí)了組蛋白H3K36M/I突變體多肽對(duì)SETD2的反式抑制（trans-inhibition）活力。

本論文中首次捕捉到處于完全開(kāi)放構(gòu)象的SETD2催化結(jié)構(gòu)域復(fù)合物結(jié)構(gòu)，與之前解析的H3K36甲基轉(zhuǎn)移酶家族自抑制構(gòu)象截然不同。有趣的是，在自抑制構(gòu)象中占據(jù)組蛋白H3多肽底物結(jié)合口袋的一段環(huán)區(qū)（loop），在開(kāi)放構(gòu)象形成過(guò)程中經(jīng)歷劇烈構(gòu)象變化，一方面擺出來(lái)使組蛋白H3多肽能夠進(jìn)入底物結(jié)合通道，另一方面又以“反平行準(zhǔn)β-折疊片層”方式參與了組蛋白H3多肽識(shí)別，顯示出這一環(huán)區(qū)片段的“抑制+識(shí)別”的“雙面”（dualistic）功能。同時(shí)，復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)解析還揭示SETD2的H3K36結(jié)合口袋主要由疏水和芳香性殘基組成。其中，H3K36M的甲硫氨酸側(cè)鏈與SETD2活性口袋中的Y1666側(cè)鏈形成穩(wěn)定的“硫-芳香環(huán)”以及“CH-π”氫鍵相互作用，實(shí)現(xiàn)了SETD2催化結(jié)構(gòu)域?qū)3K36M突變的偏好結(jié)合；而對(duì)于H3K36I的偏好識(shí)別則主要來(lái)自疏水作用和CH-π氫鍵作用的貢獻(xiàn)。結(jié)構(gòu)疊合分析揭示H3K36M和H3K36I殘基側(cè)鏈具有高度一致的旋轉(zhuǎn)構(gòu)象（rotamer），保證了二者在H3K36結(jié)合口袋的緊密插入；如果將H3K36突變成與異亮氨酸類(lèi)似的亮氨酸 (L) ，則會(huì)因?yàn)榱涟彼醾?cè)鏈末端的分叉導(dǎo)致空間位阻的產(chǎn)生，進(jìn)而從結(jié)構(gòu)角度解釋了為什么只有K36M和K36I兩種突變，而不是K36L等其它類(lèi)型突變能夠抑制SETD2活性，并最終導(dǎo)致癌癥的發(fā)生。

此外，組蛋白H3G34位點(diǎn)的突變（G34R/V/W/L）在神經(jīng)膠質(zhì)瘤和成軟骨細(xì)胞瘤里也被廣泛發(fā)現(xiàn)。晶體結(jié)構(gòu)解析揭示H3G34被深深地包埋在SETD2底物結(jié)合通道里，而該通道的高度狹窄性決定了只有甘氨酸這樣沒(méi)有側(cè)鏈的殘基才能結(jié)合，把甘氨酸突變成其它大側(cè)鏈殘基（如R/V/W/L）都會(huì)導(dǎo)致組蛋白H3不能有效進(jìn)入底物結(jié)合通道，因此不能被SETD2甲基化，呈現(xiàn)出一種順式抑制（cis-inhibition）作用。該發(fā)現(xiàn)為闡明H3G34突變致癌的分子機(jī)理提供了指導(dǎo)。

醫(yī)學(xué)院李海濤教授是本文的通訊作者，醫(yī)學(xué)院2012級(jí)直博生楊爽為論文第一作者，生命聯(lián)合中心博士后鄭向東博士作為第二作者參與了本項(xiàng)研究。洛克菲勒大學(xué)教授C. David Allis教授及其博士后路超博士參與了本項(xiàng)研究，并提供指導(dǎo)和協(xié)助。本課題得到科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、教育部自主科研計(jì)劃、北京結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、生物治療協(xié)同創(chuàng)新中心等資助。論文中的放射性酶活實(shí)驗(yàn)得到了生命醫(yī)學(xué)測(cè)試中心同位素平臺(tái)主管醫(yī)學(xué)院李德老師的指導(dǎo)和協(xié)助。衍射數(shù)據(jù)收集得到上海同步輻射光源BL17U線(xiàn)站和結(jié)構(gòu)生物學(xué)中心范仕龍博士的大力支持與協(xié)助。

論文鏈接：http://www.genesdev.org/cgi/doi/10.1101/gad.284323.116

供稿：醫(yī)學(xué)院 編輯：李含