清华教师揭示组蛋白甲基化密码“读体”识别新机制

清华教师揭示组蛋白甲基化密码“读体”识别新机制摘要：6月12日，清华大学医学院李海涛教授课题组于《自然-结构与分子生物学》在线发表题为“ATRXADDdomainlinksanatypicalhistonemethylationrecognitionmechanismtohumanmental-retardationsyndrome”（ATRXADD结构域关联一种非典型组蛋白甲基化识别机制到人类智力发育迟滞综合征）的科研论文，报导了组蛋白甲基化密码“读体”识别机制的最新研究成果。6月12日，清华大学医学院李海涛教授课题组于《自然-结构与分子生物学》在线发表题为“ATRXADDdomainlinksanatypicalhistonemethylationrecognitionmechanismtohumanmental-retardationsyndrome”（ATRXADD结构域关联一种非典型组蛋白甲基化识别机制到人类智力发育迟滞综合征）的科研论文，报导了组蛋白甲基化密码“读体”识别机制的最新研究成果。真核生物染色体的基本结构单位是核小体，主要由DNA和组蛋白构成。组蛋白翻译后修饰，包括甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等，通常被认为构成一层超越DNA序列的“组蛋白密码”，控制着染色质的“开”与“关”状态，在转录、复制、异染色质形成等众多细胞进程中发挥着重要调控作用，因此研究这些组蛋白修饰密码如何被“读体”蛋白特异读取并诠释有着十分重要的意义。李海涛课题组针对人源ATRX（X-染色体连锁a-地中海贫血兼智力发育迟滞）蛋白内部的一个锌指结构域ADD（ATRX-DNMT3-DNMT3L）展开结构与功能研究，在高达0.93埃原子分辨率水平解析了该结构域与组蛋白H3赖氨酸9三甲基化（H3K9me3）多肽复合物结构。该研究首次把ATRXADD确定为一类新折叠类型的H3K9me3读体家族成员，并揭示出如下新型组蛋白甲基化识别机制：1）ATRXADD通过一个非典型极性口袋，主要以“碳-氧”氢键形式实现对9位赖氨酸三甲基化识别，这与目前已知的赖氨酸三甲基化“芳香笼”读体识别机制截然不同；2）H3K9me3极性口袋位于构成ADD的两个亚结构域GATA-like锌指与PHD锌指的界面，这种“复合型口袋”有别于其它主要由单个（亚）结构域形成底物口袋的组成方式；3）ATRXADD对H3K9me3的高效识别不仅依赖于9位赖氨酸三甲基化，而且依赖于4位赖氨酸非甲基化和一个自由组蛋白H3氨基末端，呈现一种高度协同的组合型识别机制。以上新型识别机制的揭示深化了人们对“组蛋白密码”破译机制的理解，并对其它潜在组蛋白甲基化“读体”蛋白的发现有着重要的借鉴指导意义。ATRX是人类“ATR-X综合征”的关键病因蛋白，多见于男童，临床表现有a-地中海贫血以及智力发育迟滞等。临床遗传学研究在病人中已鉴定出上百种ATRX错意突变，其中约有50%的突变富集在ADD锌指结构域。此外，研究还表明ATRX在转录、X染色质抑活、癌症发生，以及干细胞自我更新和多能性状态维持等过程中也发挥着重要作用。本研究证实ATRX蛋白ADD结构域具有重要的H3K9me3“读体”功能，是ATRX在染色体着丝粒旁区或端粒等异染色质区进行定位并发挥正常功能所不可或缺的，从而在分子水平阐明了ATRX突变引发“ATR-X综合征”的致病机理之一，也为人类“ATR-X综合征”的进一步治疗提供了重要的病因学基础。本研究工作主要是和美国哈佛医学院波士顿儿童医院的施扬教授合作完成的。其中李海涛教授作为共同通讯作者负责完成了晶体结构解析及一系列多肽结合实验。李海涛课题组项斌同学承担了蛋白纯化，H3K9me3复合物晶体生长，以及多肽结合等实验。相关衍射数据的收集得到北京高能物理所北京同步辐射光源（BSRF）3W1A线站，以及上海同步辐射光源（SSRF）BL17U1线站的大力协助。该工作得到了科技部“973”计划干细胞项目（2011CB965300）和清华大学“985”计划II期基金资助。