清華新聞網(wǎng)10月6日電 生物體遺傳信息DNA纏繞組蛋白八聚體1.7圈形成了染色體的基本組成單位——核小體。組蛋白H4的N端尾巴與臨近的核小體相互作用，促進(jìn)染色體高級(jí)結(jié)構(gòu)的形成以及異染色質(zhì)沉默。核小體組裝和異染色質(zhì)形成阻礙了DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄以及損傷修復(fù)等重要生物學(xué)過(guò)程。生物體進(jìn)化出了一系列的機(jī)制來(lái)克服核小體的阻礙。其中，組蛋白乙?；揎椫泻唾?lài)氨酸側(cè)鏈的正電荷，并招募其他染色質(zhì)因子，進(jìn)而調(diào)控染色質(zhì)折疊、基因轉(zhuǎn)錄以及DNA損傷修復(fù)等過(guò)程。
10月5日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、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)合中心陳柱成教授與李雪明副教授合作在《自然》（Nature）期刊在線(xiàn)發(fā)表題為“釀酒酵母NuA4乙酰轉(zhuǎn)移酶復(fù)合物結(jié)合核小體的結(jié)構(gòu)”（Structure of the NuA4 acetyltransferase complex bound to the nucleosome）的研究論文，揭示了乙酰轉(zhuǎn)移酶NuA4結(jié)合核小體以及組蛋白H4空間識(shí)別的機(jī)理，闡明了NuA4作為轉(zhuǎn)錄共激活因子發(fā)揮功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
NuA4和SAGA是釀酒酵母兩個(gè)重要的乙酰轉(zhuǎn)移酶復(fù)合物，分別選擇性地乙?；M蛋白H4和H3，調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄。NuA4和SAGA在不同物種中高度保守，前者是酵母生存唯一必需的乙酰轉(zhuǎn)移酶。作為轉(zhuǎn)錄共激活因子，二者通過(guò)共同亞基Tra1，結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子，被招募至啟動(dòng)子區(qū)（圖1a）。因?yàn)橛谢A(chǔ)性作用，NuA4自發(fā)現(xiàn)至今20多年被不斷研究，但其結(jié)構(gòu)研究歷史相當(dāng)曲折，目前尚不清楚精細(xì)的分子組裝模式以及識(shí)別底物核小體的機(jī)理。
圖1. NuA4的工作模式圖及結(jié)合核小體的結(jié)構(gòu)
（a）NuA4與SAGA協(xié)同作用促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄的工作模式圖；（b）NuA4結(jié)合核小體的示意圖；（c）NuA4-NCP復(fù)合物的電鏡密度圖；（d）NuA4各亞基結(jié)構(gòu)域組成示意圖，顏色與電鏡密度圖中一致
陳柱成課題組早期報(bào)道了NuA4活性中心Piccolo亞復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)及其結(jié)合核小體的低分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)繼續(xù)向著NuA4全酶的結(jié)構(gòu)解析進(jìn)擊。然而，研究人員發(fā)現(xiàn)NuA4復(fù)合物的結(jié)構(gòu)可塑性非常大，其活性中心結(jié)合核小體的部分無(wú)法得到穩(wěn)定構(gòu)象。這造成高質(zhì)量結(jié)構(gòu)解析的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。為了限制復(fù)合物結(jié)構(gòu)的柔性，研究團(tuán)隊(duì)在樣品中加入了轉(zhuǎn)錄因子Gal4-VP16，并在核小體接頭DNA引入相應(yīng)的識(shí)別DNA序列，作為上游激活信號(hào)（UAS）。而且，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)組蛋白H4K16位點(diǎn)進(jìn)行CMC（carboxymethyl coenzyme A）化學(xué)修飾以及H3K36位點(diǎn)進(jìn)行三甲基化修飾。CMC結(jié)合NuA4的催化中心Esa1，穩(wěn)定Esa1與核小體的作用；H3K36則結(jié)合Eaf3亞基。在突破各種技術(shù)難題后，最終解析了NuA4結(jié)合核小體的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)（8.8埃），局部分辨率為2.7-3.4埃。
由13個(gè)亞基組成的NuA4復(fù)合物分為兩個(gè)大的模塊（圖1c）：乙?；K（histone acetyltransferase，HAT）以及轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合模塊（transcription activator-binding，TRA）。HAT模塊即為piccolo亞復(fù)合物，由Esa1、Epl1的N端區(qū)域、Eaf6以及Yng2組成；TRA模塊則由Tra1、Eaf1、Eaf2、Act1、Arp4以及Epl1的C端區(qū)域組成。Epl1的一段無(wú)序區(qū)把HAT模塊與TRA模塊連接在一起。另外，還存在一個(gè)“橋型”的結(jié)構(gòu)柔性區(qū)。研究人員根據(jù)交聯(lián)質(zhì)譜推斷這部分區(qū)域?yàn)镋af3/5/7亞基。從這里可以看出NuA4復(fù)合物構(gòu)造的高度可塑性。
該結(jié)構(gòu)顯示，攜帶UAS的linkerDNA延伸向Tra1亞基表面（圖2a）。研究人員發(fā)現(xiàn)該表面在不同物種中高度保守（圖2b），且眾多轉(zhuǎn)錄因子與Tra1的結(jié)合位點(diǎn)均位于該表面內(nèi)。因此，該保守面被命名為轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合面（transcription factor binding surface，ABS）。ABS的發(fā)現(xiàn)提供了NuA4被轉(zhuǎn)錄因子招募至啟動(dòng)子區(qū)域的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
在A(yíng)BS外周，研究人員發(fā)現(xiàn)一個(gè)多堿性氨基酸界面（poly-basic surface, PBS）與核小體的linker DNA相互作用（圖2c）。研究人員通過(guò)生化以及遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了PBS的對(duì)乙酰轉(zhuǎn)移活性，以及調(diào)控酵母碳源代謝的重要性（圖2d）。
圖2. NuA4的TRA模塊結(jié)構(gòu)和核小體識(shí)別機(jī)理
（a）轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合表面（ABS）；（b） ABS的保守性分析；（c）多堿性氨基酸表面（PBS）的結(jié)構(gòu)；（d）野生型和PBS突變體的生長(zhǎng)表型分析
催化中心HAT模塊通過(guò)兩個(gè)關(guān)鍵元件結(jié)合在核小體盤(pán)狀結(jié)構(gòu)表面。其中，Epl1的“arginine anchor”識(shí)別核小體的酸性區(qū)，“double function loop(DFL)”識(shí)別核小體的超螺旋1.5位置處DNA（圖3a,b,c）。該核小體識(shí)別模式使得Esa1的活性口袋恰好處在H4的N端尾巴上方。這個(gè)結(jié)構(gòu)在全酶水平支持了H4尾巴空間位置識(shí)別機(jī)制(圖3b)。該機(jī)制區(qū)別于常見(jiàn)的基于氨基酸序列識(shí)別的組蛋白修飾酶工作機(jī)制。
綜上所述，該研究揭示了NuA4通過(guò)多個(gè)結(jié)構(gòu)元件，協(xié)調(diào)識(shí)別核小體的機(jī)理（圖1b）。ABS通過(guò)轉(zhuǎn)錄因子，PBS直接結(jié)合接頭DNA，招募核小體至TRA模塊邊緣；此構(gòu)象使得HAT模塊通過(guò)DFL和arginine anchor識(shí)別核小體的表面，從而發(fā)揮選擇性乙?；疕4的功能。TRA模塊與HAT模塊之間的可塑性，使得NuA4能夠適應(yīng)復(fù)雜的染色體環(huán)境，被不同轉(zhuǎn)錄因子招募。除了Eaf5亞基之外，其他亞基在人源TIP60復(fù)合物中均存在同源蛋白。因此，該研究對(duì)于理解TIP60復(fù)合物的組裝及工作機(jī)制提供了很好的模型。值得一提的是，該工作TRA模塊的結(jié)構(gòu)被另外三個(gè)單獨(dú)的NuA4復(fù)合物的結(jié)構(gòu)研究所驗(yàn)證。
圖3. NuA4 HAT模塊識(shí)別核小體的機(jī)理
（a）HAT模塊結(jié)合核小體的結(jié)構(gòu)模型；（b）NuA4通過(guò)空間位置識(shí)別H4的模式圖；（c）Arginine anchor局部電鏡密度圖及其與酸性區(qū)相互作用結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)；（d）多肽競(jìng)爭(zhēng)性實(shí)驗(yàn)顯示Arginine anchor對(duì)NuA4乙?；钚缘闹匾?/p>
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院陳柱成教授、李雪明副教授為本文共同通訊作者，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2014級(jí)博士生瞿珂珂（已畢業(yè)）和2017級(jí)博士生陳康凈（已畢業(yè)）、2017級(jí)博士生王皓為該論文共同第一作者。本工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部重大科學(xué)研究計(jì)劃專(zhuān)項(xiàng)、北京市結(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、國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（北京）設(shè)施清華基地的大力支持，國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)研究（北京）設(shè)施清華基地冷凍電鏡平臺(tái)和計(jì)算平臺(tái)為數(shù)據(jù)收集和處理提供了支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05303-x
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：呂婷
