
上海有機(jī)所在甲基化關(guān)鍵蛋白UHRF1識別組蛋白H3R2的分子機(jī)制研究方面取得進(jìn)展
隨著研究的深入,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)DNA序列不是唯一的遺傳信息,除了基因組DNA外,還有大量遺傳學(xué)信息調(diào)控著基因的表達(dá),稱之為表觀遺傳信息。表觀遺傳是指DNA序列不發(fā)生變化的情況下,基因表達(dá)卻發(fā)生了可遺傳的改變。這種改變是細(xì)胞內(nèi)除了遺傳信息以外的其他可遺傳物質(zhì)發(fā)生的改變,且這種改變在發(fā)育和細(xì)胞增殖過程中能穩(wěn)定傳遞。表觀遺傳信息與基因序列本身一樣重要,因?yàn)樗刂浦蚴欠癖婚_啟或關(guān)閉,從而決定他們是否制造蛋白質(zhì)。在過去的幾十年里,研究人員已經(jīng)知道DNA甲基化作用是這些標(biāo)記基因沉默的表觀遺傳修飾過程中的其中一種類型,這種修飾導(dǎo)致靶標(biāo)基因不能生產(chǎn)蛋白質(zhì)。此外還有一種修飾叫做組蛋白甲基化作用,該反應(yīng)是標(biāo)記包裹DNA的組蛋白。
UHRF1是一種核蛋白,對保持DNA的甲基化狀態(tài)及表觀修飾的遺傳起著重要作用。它含有五個(gè)已知的功能域,包括N-端的UBL結(jié)構(gòu)域、串聯(lián)的Tudor結(jié)構(gòu)域、PHD結(jié)構(gòu)域、SRA結(jié)構(gòu)域、以及C-末端的RING結(jié)構(gòu)域。UHRF1的多個(gè)功能域賦予它功能上的多樣性,能夠與多個(gè)蛋白相互作用,從而將DNA甲基化、組蛋白甲基化、組蛋白乙酰化、組蛋白泛素化、染色質(zhì)形態(tài)等多種表觀遺傳修飾聯(lián)系了起來,因此成為幾年來分子生物學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)等領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。UHRF1的表達(dá)水平在很多腫瘤細(xì)胞中顯著增加,在散發(fā)性乳腺癌組織細(xì)胞中,UHRF1的過量表達(dá)可以導(dǎo)致抑癌基因BRCA1啟動(dòng)子區(qū)域的表觀遺傳發(fā)生改變,包括DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重組、以及轉(zhuǎn)錄抑制復(fù)合物的招募,最終導(dǎo)致BRCA1基因的沉默。與經(jīng)典的PHD結(jié)構(gòu)域的不同,PHDUHRF1的氨基末端含有額外的半胱氨酸,可與Zn離子結(jié)合形成鋅指。之前有研究表明,PHDUHRF1能夠介導(dǎo)UHRF1特異性結(jié)合K9-三甲基化的H3 尾部肽段(H3K9me3),然而最近的研究表明,Tudor結(jié)構(gòu)域介導(dǎo)著UHRF1與K9-三甲基化的H3 尾部肽段的結(jié)合特異性。因此研究PHDUHRF1與組蛋白H3的復(fù)合物結(jié)構(gòu)及其功能將大大促進(jìn)人們了解甲基化的調(diào)控過程、癌癥背后的表觀遺傳學(xué)機(jī)制以及幫助設(shè)計(jì)出合適的藥物。
上海有機(jī)所生命有機(jī)化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的曹春陽研究員課題組利用NMR手段分別解析了UHRF1的PHD結(jié)構(gòu)域與未修飾H3 N-端尾部肽段(H3K9me0)以及與9-位賴氨酸三甲基化修飾的H3 尾部肽段(H3K9me3)的兩種復(fù)合物溶液三維結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)H3R2而不是H3K9介導(dǎo)了UHRF1的PHD結(jié)構(gòu)域與H3 尾部的作用,同時(shí)該識別模式與現(xiàn)有已經(jīng)報(bào)道的H3R2識別相比明顯不同,是一種新的識別模式。這一結(jié)論又進(jìn)一步得到了核磁滴定實(shí)驗(yàn)、定點(diǎn)突變實(shí)驗(yàn)、色氨酸熒光光譜實(shí)驗(yàn)等驗(yàn)證。核磁滴定實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)R2進(jìn)行對稱或不對稱雙甲基化修飾時(shí),PHDUHRF1的1H,15N -HSQC譜圖與結(jié)合未修飾H3肽段時(shí)相比,交叉峰的化學(xué)位移變化很大,而當(dāng)K9或K4甲基化修飾時(shí),PHDUHRF1的1H,15N-HSQC譜圖與結(jié)合未修飾H3肽段時(shí)相比,交叉峰的化學(xué)位移基本沒有變化。熒光光譜實(shí)驗(yàn)表明,H3R2的雙甲基化使PHDUHRF1結(jié)合H3多肽的能力降低十多倍,而H3K4及H3K9甲基化則基本不影響PHDUHRF1對H3多肽的結(jié)合。另外,將H3R2或PHDUHRF1中與R2相互作用的關(guān)鍵殘基D347、D350進(jìn)行突變,發(fā)現(xiàn)當(dāng)R2或D347突變?yōu)锳(丙氨酸)后,幾乎完全破壞了PHDUHRF1與未修飾的H3多肽的結(jié)合;D350突變?yōu)锳之后,PHDUHRF1與未修飾的H3多肽結(jié)合能力也有明顯下降。結(jié)合復(fù)合物三維結(jié)構(gòu)及以上生化數(shù)據(jù),我們可以確定PHDUHRF1主要通過D347和D350特異性識別未甲基化修飾的H3R2來結(jié)合H3 N-端尾部肽段。該項(xiàng)研究結(jié)果發(fā)表于Cell Research, 2011 21, (9), 1379-1382。
在該項(xiàng)研究結(jié)果發(fā)表的同時(shí),復(fù)旦大學(xué)徐彥輝教授、哈佛大學(xué)Yang Shi教授聯(lián)合Sloan Cancer Institute的Patel教授分別在Cell Res和Mol Cell發(fā)表類似研究結(jié)果,香港大學(xué)錢成明教授、法國Lallous教授也分別在PloS One和J Mol Biol發(fā)表類似結(jié)果。
圖1: PHDUHRF1識別未修飾的H3R2結(jié)構(gòu)生物學(xué)基礎(chǔ)
本項(xiàng)目得到了中國科學(xué)院、科技部、國家自然科學(xué)基金和上海市的資助。
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