清華新聞網(wǎng)9月14日電 組蛋白修飾是表觀(guān)遺傳調(diào)控重要機(jī)制，在復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和修復(fù)等以染色質(zhì)為模板的細(xì)胞過(guò)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。參與組蛋白識(shí)別的因子被形象地稱(chēng)作組蛋白“閱讀器”（reader）。自1999年美國(guó)西奈山醫(yī)學(xué)院的周明明（Ming-Ming Zhou）實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)第一類(lèi)組蛋白閱讀器—溴域（Bromodomain）以來(lái)，發(fā)現(xiàn)新型“組蛋白-閱讀器”識(shí)別對(duì)并探究其生物功能成為表觀(guān)遺傳學(xué)領(lǐng)域一個(gè)經(jīng)久不衰的研究熱點(diǎn)。
9月7日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院李海濤課題組于《核酸研究》（Nucleic Acids Research）期刊發(fā)表題為“PHF14的PZP結(jié)構(gòu)域二分法識(shí)別組蛋白H3的分子基礎(chǔ)”（Molecular basis for bipartite recognition of histone H3 by the PZP domain of PHF14）的研究論文，報(bào)道了PHF14（植物同源結(jié)構(gòu)域蛋白14，Plant homeodomain finger protein 14）蛋白作為一種新鑒定的組蛋白H3閱讀器，通過(guò)其PZP（PHD1-Znk-PHD2）結(jié)構(gòu)域，以“二分法”識(shí)別組蛋白H3氨基端柔性尾巴1-34的獨(dú)特機(jī)制。該工作揭示了PZP結(jié)構(gòu)域家族新的組蛋白結(jié)合活性，并在分子水平上闡釋了PHF14的生物學(xué)功能和作用機(jī)理。
PHF14全長(zhǎng)含有3-4個(gè)PHD鋅指結(jié)構(gòu)域。作為一類(lèi)表觀(guān)調(diào)控因子，PHF14在胚胎發(fā)育，癌癥發(fā)生和組織穩(wěn)態(tài)維持等過(guò)程中均發(fā)揮著重要作用。例如，純合敲除PHF14的小鼠在出生幾個(gè)小時(shí)后就會(huì)因?yàn)楹粑バ劳?，其肺部組織纖維化，其他組織器官組織發(fā)育異常。PHF14負(fù)調(diào)控PDGFRα、p14ARF、p16INK4a和p15INK4b等表達(dá)，進(jìn)而調(diào)控細(xì)胞周期和癌癥發(fā)生過(guò)程1-8。盡管PHF14的生物學(xué)功能十分重要，但其分子功能，尤其是其PHD鋅指結(jié)構(gòu)域的組蛋白識(shí)別活力仍不清晰。
本研究通過(guò)結(jié)構(gòu)生物學(xué)、生物化學(xué)以及氫氘交換質(zhì)譜等手段，首次發(fā)現(xiàn)PHF14的PZP結(jié)構(gòu)域是一個(gè)超長(zhǎng)組蛋白H3氨基端尾巴的高效閱讀器，結(jié)合常數(shù)約為200納摩爾。相比之下，位于PHF14的第三個(gè)和第四個(gè)PHD鋅指則不具備類(lèi)似識(shí)別能力。PHF14PZP采用兩個(gè)截然不同表面實(shí)現(xiàn)對(duì)非修飾組蛋白H3(1-34)的分段識(shí)別，即采用一個(gè)“β1-插入環(huán)” (β1-insertion loop)表面去識(shí)別組蛋白H3(1-34)的前半段H3(1-9)；而用“α-ZP”面去識(shí)別組蛋白H3(1-34)的后半段H3(14-34)。有意思的是，研究發(fā)現(xiàn)PHF14PZP對(duì)組蛋白H3(1-34)前后兩段的識(shí)別既可同時(shí)發(fā)生，又可相對(duì)獨(dú)立進(jìn)行，打破其中一段的識(shí)別會(huì)導(dǎo)致總體結(jié)合力下降10倍至2微摩爾左右（相比于其它組蛋白識(shí)別事件，這仍是一種較強(qiáng)的結(jié)合），這種既同時(shí)發(fā)生又相對(duì)獨(dú)立的分段識(shí)別模式即“二分法”識(shí)別。
令人驚訝的是，該研究發(fā)現(xiàn)了一種全新的PHD 鋅指識(shí)別H3K4（組蛋白H3第四位賴(lài)氨酸）的模式。目前已知PHD鋅指結(jié)構(gòu)域識(shí)別配體的模式一共有四種，即β1面識(shí)別、β1-N面識(shí)別、β2面識(shí)別和α1面識(shí)別。本研究中PHF14PHD1識(shí)別H3的模式不屬于以上任何一種，是一種嶄新識(shí)別模式（圖1）。在經(jīng)典的β1面識(shí)別中，組蛋白H3與β1反向平行，K4順式伸向β2方向，而在PHF14PZP識(shí)別H3中，PHF14PZP特有的一個(gè)柔性插入環(huán)（insertion loop）序列主導(dǎo)了H3K4的識(shí)別。晶體結(jié)構(gòu)研究揭示H3K4反向插向該環(huán)區(qū)，而非經(jīng)典的β1-β2核心口袋。值得注意的是，這個(gè)插入環(huán)在其它擁有類(lèi)似組蛋白H3識(shí)別能力的旁系同源蛋白，諸如AF10、BRPF1、BHC80、BPTF和ING2等中均不存在，表明PHF14采用了一種特有的PHD鋅指分子設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)組蛋白識(shí)別功能。利用序列和結(jié)構(gòu)上并不保守的一段插入序列來(lái)“獲得”組蛋白識(shí)別能力，打破了人們對(duì)PHD鋅指識(shí)別H3K4結(jié)構(gòu)和機(jī)制保守性的認(rèn)識(shí)。本工作也是自2006年首次發(fā)現(xiàn)PHD鋅指具備組蛋白H3K4識(shí)別功能以來(lái)，第一次揭示出PHD識(shí)別H3K4的趨異化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這一方面為根據(jù)同源結(jié)構(gòu)域關(guān)鍵殘基保守性來(lái)預(yù)測(cè)潛在閱讀器組蛋白識(shí)別能力的策略提供了反例，另一方面提示更多新型閱讀器有待被發(fā)現(xiàn)，同時(shí)充分表明實(shí)驗(yàn)科學(xué)的必要性和重要性。
圖1. PHF14PZP由獨(dú)特插入環(huán)（insertion loop）主導(dǎo)對(duì)H3氨基端尾巴的識(shí)別
另一個(gè)值得關(guān)注的地方是，PHF14的直系同源序列比對(duì)顯示，該插入環(huán)序列在從魚(yú)至人的物種中高度保守，但在果蠅和線(xiàn)蟲(chóng)中并不保守，表明PHF14在進(jìn)化至脊椎動(dòng)物后才獲取了組蛋白閱讀器活性。該現(xiàn)象讓人聯(lián)想到CHD1蛋白，人源CHD1的雙克羅莫結(jié)構(gòu)域（double chromodomain）能夠識(shí)別組蛋白H3第四位賴(lài)氨酸三甲基化修飾（H3K4me3），而同源的酵母CHD1則沒(méi)有識(shí)別H3K4me3活性，這可能與單細(xì)胞酵母不需要CHD1-H3K4me3識(shí)別來(lái)保證基因表達(dá)復(fù)雜度有關(guān)。對(duì)于PHF14的分子設(shè)計(jì)而言，無(wú)論是橫向旁系還是縱向直系同源進(jìn)化，只有亟需組蛋白識(shí)別功能的PHF14家族才“后天獲得”了組蛋白識(shí)別功能，提示組蛋白閱讀器在功能需求和結(jié)構(gòu)支撐上存在協(xié)同進(jìn)化。如此“精妙而人為”的分子進(jìn)化設(shè)計(jì)與抗體利用可變區(qū)快速進(jìn)化出抗原表位識(shí)別能力的過(guò)程相類(lèi)似。分子識(shí)別，尤其是修飾介導(dǎo)的分子識(shí)別，所能夠帶來(lái)的豐富與多樣永遠(yuǎn)值得人們期待！
圖2. PHF14對(duì)組蛋白H3識(shí)別的分子機(jī)制及分子功能闡釋
進(jìn)一步的修飾交叉會(huì)話(huà)研究發(fā)現(xiàn)，PHF14對(duì)H3第二位精氨酸（R2）甲基化、第三位蘇氨酸（T3）磷酸化、第四位賴(lài)氨酸（K4）甲基化、第八位精氨酸（R8）甲基化和第23位賴(lài)氨酸（K23）乙?；然钴S轉(zhuǎn)錄相關(guān)的修飾敏感，但可以容忍第九位賴(lài)氨酸（K9）三甲基化和第27位賴(lài)氨酸（K27）三甲基化等基因沉默相關(guān)修飾。已有研究表明PHF14是PDGFRα，p14ARF，p15INK4b和p16INK4a的負(fù)調(diào)控因子，本研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果暗示PHF14具備抑制或者維持這些基因的非活躍狀態(tài)的功能。PHF14作為一種非修飾的“基態(tài)”H3(1–34)閱讀器，在維持靶基因非活躍狀態(tài)的同時(shí)，或可因?yàn)榛钴S轉(zhuǎn)錄相關(guān)修飾的建立而實(shí)現(xiàn)去抑制，從而以一種層次性去抑制的策略，響應(yīng)上游信號(hào)，促進(jìn)靶基因從“非活躍“到”活躍“狀態(tài)的切換，實(shí)現(xiàn)基因表達(dá)的命運(yùn)決定。因此，本工作的研究成果為后續(xù)圍繞PHF14的功能研究提供了重要機(jī)理支撐和理論指導(dǎo)。
本研究成果在清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院完成。李海濤教授為通訊作者，鄭雙平博士為第一作者，畢于聰碩士以及陳海寧同學(xué)對(duì)本研究作出了重要貢獻(xiàn)。本工作還得到了生命學(xué)院龔波博士和賈順姬老師的指導(dǎo)和支持。同時(shí)，本工作也得到了國(guó)家蛋白研究中心（上海），清華大學(xué)蛋白質(zhì)化學(xué)與組學(xué)平臺(tái)質(zhì)譜平臺(tái)以及清華大學(xué)X-ray晶體學(xué)平臺(tái)的大力支持與幫助。本課題得到自然科學(xué)基金委國(guó)家杰出青年基金和科技部重大研究計(jì)劃等項(xiàng)目支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1093/nar/gkab670
供稿：醫(yī)學(xué)院
編輯：李華山
審核：曲田
