組蛋白修飾是表觀遺傳調(diào)控重要機制,在復制、轉錄和修復等以染色質(zhì)為模板的細胞過程中發(fā)揮著至關重要的作用。參與組蛋白識別的因子被形象地稱作組蛋白“閱讀器”(reader)。自1999年美國西奈山醫(yī)學院的周明明(Ming-Ming Zhou)實驗室發(fā)現(xiàn)第一類組蛋白閱讀器—溴域(Bromodomain)以來,發(fā)現(xiàn)新型“組蛋白-閱讀器”識別對并探究其生物功能成為表觀遺傳學領域的一個研究熱點。
2021年9月7日,清華大學醫(yī)學院李海濤課題組于《Nucleic Acids Research》發(fā)表題為Molecular basis for bipartite recognition of histone H3 by the PZP domain of PHF14(PHF14的PZP結構域二分法識別組蛋白H3的分子基礎)的研究論文,報道了PHF14(Plant homeodomain finger protein 14)蛋白作為一種新鑒定的組蛋白H3閱讀器,通過其PZP(PHD1-Znk-PHD2)結構域,“二分法”識別組蛋白H3氨基端柔性尾巴1-34的獨特機制。該工作揭示了PZP結構域家族新的組蛋白結合活性,并在分子水平上闡釋了PHF14的生物學功能和作用機理。
PHF14全長含有3-4個PHD鋅指結構域。作為一類表觀調(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的小鼠在出生幾個小時候就會因為呼吸衰歇而死亡,其肺部組織纖維化,其他組織器官組織發(fā)育異常1,2。PHF14負調(diào)控PDGFRα、p14AR、p16INK4a和p15INK4b等表達,進而調(diào)控細胞周期和癌癥發(fā)生過程1-8。盡管PHF14的生物學功能十分重要,但其分子功能,尤其是其PHD鋅指結構域的組蛋白識別活力仍不清晰。
本研究通過結構生物學、生物化學以及氫氘交換質(zhì)譜等手段,首次發(fā)現(xiàn)PHF14的PZP結構域是一個超長組蛋白H3氨基端尾巴的高效閱讀器,結合常數(shù)約為200納摩爾。相比之下,位于PHF14的第三個和第四個PHD鋅指則不具備類似識別能力。PHF14PZP采用兩個截然不同表面實現(xiàn)對非修飾組蛋白H3(1-34)的分段識別,即采用“β1-insertion loop”表面去識別組蛋白H3的氨基端H3(1-9);而用“α-ZP”面去識別組蛋白H3中間段H3(14-34)。有意思的是,研究發(fā)現(xiàn)PHF14PZP對組蛋白H3的氨基端和中間段的識別既可同時發(fā)生,又可相對獨立進行,打破其中一段的識別會導致結合力下降10倍至2微摩爾左右,相比于其它組蛋白識別事件,這仍是一種較強的結合。這種既同時發(fā)生又相對獨立的分段識別模式即“二分法”識別。
令人驚訝的是,該研究發(fā)現(xiàn)了一種全新的PHD 鋅指識別H3的模式。目前已知PHD鋅指結構域識別配體的模式一共有四種,即β1面識別、β1-N面識別、β2面識別和α1面識別。本研究中PHF14PHD1識別H3的模式不屬于以上任何一種,是一種嶄新識別模式(圖1)。在經(jīng)典的β1面識別中,組蛋白H3與β1反向平行,K4順式伸向β2方向,而在PHF14PZP識別H3中,PHF14PZP特有的一個柔性插入環(huán)(insertion loop)了序列主導H3K4的識別。晶體結構研究揭示H3K4反向插向該loop區(qū),而非經(jīng)典的β1-β2核心口袋。值得注意的是,這個插入環(huán)在其它擁有類似組蛋白H3識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鋅指分子設計來實現(xiàn)組蛋白識別功能。利用序列和結構上并不保守的一段插入序列來“獲得”組蛋白識別能力,打破了人們對PHD鋅指識別H3K4結構和機制保守性的認識。本工作也是自2006年首次發(fā)現(xiàn)PHD鋅指具備組蛋白H3K4識別功能以來,第一次揭示出PHD識別H3K4的趨異化結構設計。這一方面為根據(jù)同源結構域關鍵殘基保守性來預測潛在閱讀器組蛋白識別能力的策略提供了反例,另一方面提示了更多新型閱讀器有待被發(fā)現(xiàn)的可能,同時充分表明實驗科學的必要性和重要性。
另一個值得關注的地方是,PHF14的直系同源序列比對顯示,該插入環(huán)序列在從魚至人的物種中高度保守,但在果蠅和線蟲中并不保守,表明PHF14在進化至脊椎動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double Chromo結構域能夠識別H3K4me3,而同源的酵母CHD1則沒有識別H3K4me3活性,這可能與單細胞酵母不需要CHD1-H3K4me3識別來保證基因表達復雜度有關。對于PHF14的分子設計而言,無論是橫向旁系還是縱向直系同源進化,只有亟需組蛋白識別功能的PHF14家族才“后天獲得”了組蛋白識別功能,提示組蛋白閱讀器在功能需求和結構支撐上存在協(xié)同進化。如此“精妙而人為”的分子進化設計與抗體利用可變區(qū)快速進化出抗原表位識別能力的過程相類似。分子識別,尤其是修飾介導的分子識別,所能夠帶來的豐富與多樣永遠值得人們期待!
圖1. PHF14PZP由獨特insertion loop 主導對H3氨基端識別
進一步的修飾交叉會話研究發(fā)現(xiàn),PHF14對H3R2甲基化、T3磷酸化、K4甲基化、R8甲基化和K23乙?;然钴S轉錄相關的修飾敏感,但可以容忍K9三甲基化和K27三甲基化修飾。已有研究表明PHF14是PDGFRα,p14ARF,p15INK4b和p16INK4a的負調(diào)控因子,本研究實驗結果暗示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,或可因為活躍轉錄相關修飾的建立而實現(xiàn)去抑制,從而以一種層次性去抑制的策略,響應上游信號,促進靶基因從“非活躍“到”活躍“狀態(tài)的切換,實現(xiàn)基因表達的命運決定。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理支撐和理論指導。
圖2. PHF14對H3識別的分子機制及分子功能闡釋
本研究成果在清華大學醫(yī)學院完成。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對本研究作出了重要貢獻。本工作還得到了生命學院龔波博士和賈順姬老師的指導和支持。同時,本工作也得到了國家蛋白研究中心(上海),清華大學蛋白質(zhì)化學與組學平臺質(zhì)譜平臺以及清華大學X-ray晶體學平臺的大力支持與幫助。
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https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkab670/6345469
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