新突破！清華大學(xué)取得染色質(zhì)去乙酰化動(dòng)態(tài)修飾研究新突破

2023年7月19日，清華大學(xué)李海濤及閆創(chuàng)業(yè)共同通訊在Nature在線發(fā)表題為“Diverse modes of H3K36me3-guided nucleosomal deacetylation by Rpd3S”的研究論文，該研究解決了釀酒酵母Rpd3S在游離態(tài)和 H3K36me3核糖體結(jié)合態(tài)下的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。

該研究展示了一種獨(dú)特的Rpd3S結(jié)構(gòu)，其中Eaf3-Rco1異源二聚體的兩個(gè)拷貝與Rpd3和Sin3不對(duì)稱組裝形成催化核心復(fù)合物。Eaf3、Sin3和Rco1對(duì)兩個(gè)H3K36me3標(biāo)記、核體DNA和連接體DNA的多價(jià)識(shí)別將Rpd3的催化中心定位在組蛋白H4 N端尾部附近進(jìn)行去乙酰化。在另一種催化模式下，Rco1和Eaf3組合讀取未甲基化的組蛋白H3賴氨酸4和H3K36me3，指導(dǎo)組蛋白H3特異性去乙酰化。總的來說，該項(xiàng)工作闡明了Rpd3S的多價(jià)核小體結(jié)合和甲基化引導(dǎo)的去乙酰化的動(dòng)態(tài)和多樣化模式，突出了轉(zhuǎn)錄和其他轉(zhuǎn)錄過程中精心設(shè)計(jì)的多亞基酶機(jī)制的表觀遺傳調(diào)控的復(fù)雜性。

動(dòng)態(tài)組蛋白修飾及其串?dāng)_在基因調(diào)控中起關(guān)鍵作用。例如，組蛋白H3賴氨酸三甲基化(H3K4me3)和H3K36me3是區(qū)分轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)和轉(zhuǎn)錄單位編碼區(qū)域的標(biāo)志。組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶Set2可以通過延長(zhǎng)RNA聚合酶II直接募集，并特異性甲基化H3K36。在酵母中，Rpd3S組蛋白去乙酰化酶(HDAC)復(fù)合物在編碼區(qū)識(shí)別H3K36me3，并通過其去乙酰化酶活性抑制來自隱啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄。因此，Set2-Rpd3S調(diào)控軸在H3K36甲基化和組蛋白去乙酰化之間建立了串?dāng)_，從而抑制異常轉(zhuǎn)錄。

Rpd3最初被認(rèn)為是一種全局基因調(diào)控因子和協(xié)同抑制因子，1996年**報(bào)道其作為HDAC發(fā)揮作用。這一發(fā)現(xiàn)，連同Gcn5作為**個(gè)與轉(zhuǎn)錄相關(guān)的組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶的特性，建立了染色質(zhì)生物學(xué)和表觀遺傳學(xué)的新范式。酵母Rpd3是一類HDAC家族成員，可與Sin3、me1、Rco1和Eaf3組裝形成0.6-MDa的Rpd3S復(fù)合物。同時(shí)，Rpd3、Sin3和Ume1也可以與不同的因子組合，包括Pho23、Cit6和Ume6，在酵母中形成1.2-MDa的Rpd3 large (Rpd3L)復(fù)合物。Rpd3S和Rpd3L都有助于基因抑制，這取決于H3K36me3與H3K4me317的甲基化背景。

Rpd3S復(fù)合物通過Eaf3亞基(CHDEaf3)的色域(CHD)識(shí)別H3K36me3，并通過Rco1的植物同源盒結(jié)構(gòu)域(PHD)手指跨編碼區(qū)識(shí)別未修飾的組蛋白H3 N端尾部。組蛋白H3K36me3促進(jìn)Rpd3S復(fù)合物對(duì)組蛋白H3和H4的去乙酰化酶活性，這與協(xié)調(diào)的亞基內(nèi)相互作用和變構(gòu)調(diào)節(jié)有關(guān)。此外，Rpd3S復(fù)合物在h3k36me3導(dǎo)向的去乙酰化中表現(xiàn)出雙核小體的偏好，其為**連接體DNA長(zhǎng)度。總的來說，這些生化特征表明Rpd3S與其修飾的核小體底物存在多價(jià)和動(dòng)態(tài)作用，其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)有待深入研究。

該研究成功解析了釀酒酵母Rpd3S復(fù)合物在自由狀態(tài)和H3K36me3核小體結(jié)合狀態(tài)下的分子結(jié)構(gòu)模型，并結(jié)合去乙酰化酶活分析以及酵母遺傳學(xué)等功能實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)全面的對(duì)Rpd3S復(fù)合物的組裝模式、底物識(shí)別催化和修飾介導(dǎo)調(diào)控等過程進(jìn)行了分子機(jī)制解剖，揭示出甲基化指引的染色質(zhì)去乙酰化動(dòng)態(tài)和多樣化模型。該研究為更好地理解真核生物物種中多功能的I類HDAC復(fù)合物奠定了框架，并為基于結(jié)構(gòu)和機(jī)制的HDAC活性修飾藥物的開發(fā)鋪平了道路。

在此項(xiàng)研究中，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院李海濤課題組博士后管海鵬和已畢業(yè)博士生王沛為并列**作者。清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院2020級(jí)博士生張沛主要參與了本研究，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院李兵教授、阮純博士，以及鄭州大學(xué)醫(yī)學(xué)科學(xué)院鄭向東特聘教授提供了專業(yè)指導(dǎo)和幫助。清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院李海濤教授和生命學(xué)院閆創(chuàng)業(yè)副教授為共同通訊作者。

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