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全面解析!李海涛组综述组蛋白新型酰化修饰建立与去除的分子机制

2019-01-09  生物_医药...

景杰生物/报道 


编者按:组蛋白的翻译后修饰是调控多种生物事件的重要表观遗传学机制,参与转录调控、染色质动力学和发育等多种生物事件。除了组蛋白赖氨酸乙酰化外,随着表观遗传学与生物学领域的深入研究,一系列新的酰化类型,例如甲酰化、丙酰化、丁酰化、巴豆酰化、2-羟基异丁酰化、β-羟基丁酰化、琥珀酰化、丙二酰化、戊二酰化和苯甲酰化等等被陆续发现。

近日,清华大学结构生物学高精尖创新中心李海涛课题组在国际权威学术期刊Current Opinion in Structural Biology上发表重磅综述。该综述从结构的角度总结了组蛋白酰化修饰的转移酶(即writer,书写器)和去酰化酶(即eraser,擦除器),并且解释了这些酶催化非乙酰基组蛋白酰化修饰(重点是组蛋白巴豆酰化和β-羟基丁酰化)的分子基础。此外,作者还针对组蛋白酰化的识别、非组蛋白酰化和代谢调控进行了探讨。

 

组蛋白翻译后修饰(PTMs)是的重要表观遗传学机制之一。经典的组蛋白赖氨酸乙酰化(Kac)通过中和赖氨酸侧链上的正电荷或招募读取蛋白来促进转录。除了组蛋白赖氨酸乙酰化外,目前还发现了大量的组蛋白和/或非组蛋白赖氨酸新型酰化修饰,如甲酰化(Kfo)丙酰化(Kpr)丁酰化(Kbu)巴豆酰化(Kcr)2 -羟基异丁酰化(Khib)β-羟基丁酰化(Kbhb)琥珀酰化(Ksucc)丙二酰化(Kmal)戊二酰化(Kglu)苯甲酰化(Kbz)长链脂肪酰化等(图1)。

图1 组蛋白/非组蛋白赖氨酸酰化修饰的化学结构总览

(组蛋白巴豆酰化和β-羟基丁酰化是本综述的焦点,以红色显示。)

组蛋白巴豆酰化是一种从酵母到人都具备的保守活性染色质标记。从功能角度,该修饰存在于所有组蛋白上,并且主要位于活性启动子和潜在增强子区域。从结构角度,巴豆酰基团呈现出不同于其他酰化基团的平面结构,从而促进了染色质解体和转录激活。

有研究表明,在小鼠雄性生殖细胞的减数分裂后期,性染色体上存在着丰富的组蛋白巴豆酰化修饰,暗示组蛋白巴豆酰化是雄性生殖单倍体细胞基因表达程序的指标。巴豆酰化的产生需要酶参与,供体是代谢中间产物巴豆酰辅酶A。因此,巴豆酰化水平能够反映细胞的代谢状态,并受巴豆酰辅酶A的浓度以及巴豆酰辅酶A与乙酰辅酶A比值的影响。

与巴豆酰化类似,组蛋白赖氨酸β-羟基丁酰化也是一种进化上保守的翻译后修饰,主要位于基因启动子区域,参与基因的转录激活。该修饰能够对组蛋白上的表观遗传调控进行重编程并且调控基因表达,从而促使细胞适应能量来源的变化(如酮体代谢)。


1 组蛋白酰化修饰的书写器

能够产生组蛋白修饰的转移酶被称为组蛋白书写器。后生动物中有三个主要的组蛋白乙酰转移酶家族: p300/CREB结合蛋白(p300/CBP)、MYST(Moz、Ybf2、Sas2和Tip60)以及GNAT(GCN5相关N乙酰转移酶)家族。p300/CBP和MYST家族蛋白MOF为组蛋白巴豆酰转移酶(HCTs),而GNAT家族蛋白GCN5不能催化组蛋白巴豆酰化。

p300既是组蛋白乙酰转移酶(HAT),也是组蛋白巴豆酰转移酶(HCT)。最近对p300与巴豆酰辅酶A、丙酰辅酶A和丁酰辅酶A的一系列复合体研究,揭示出p300催化组蛋白赖氨酸酰化的结构基础。p300的HAT域包含一个N亚结构域和一个C亚结构域(图2a)。巴豆酰辅酶A呈现延伸构象,能够结合到连接b5和a4的环所覆盖的通道上;丙酰辅酶A和丁酰辅酶A具有相似的结合方式,仅在酰基的构象上略有差别(图2b)。在没有赖氨酸底物的情况下,巴豆酰基被插入由疏水残基I1395、Y1397、L1398、W1436和Y1446形成的受体赖氨酸通道中(图2c)。在催化过程中,组蛋白赖氨酸底物的结合能够排斥受体赖氨酸通道中的巴豆酰基,以实现酰基链的转移(图2b)。巴豆酰基转移后被容纳在由疏水残基I1395、L1398、I1435和F1467形成的“back pocket”中(图2b)。

值得注意的是,这个口袋中的残基I1395起到了控制酰基大小的“看门人”的作用: 具有更柔性的蛋氨酸(I1395M)的p300,显示出增加的巴豆酰化活性;而具有更大体积和刚性的苯丙氨酸(I1395F)的p300,则显示出降低的巴豆酰化活性。

虽然p300是一种强力的组蛋白乙酰转移酶,但由于空间限制,它的活性会随着酰基辅酶A的链长度和刚性的增加而减弱。与乙酰辅酶A相比,丙酰辅酶A、丁酰辅酶A和巴豆酰辅酶A的组蛋白酰化效率分别下降到约33 %、2.2 %和1.5 %。p300也能催化具有支链结构的短链酰化修饰,如2-羟基异丁酰化和β-羟基丁酰化。然而,由于尺寸限制和酰基结合口袋的脂肪性质,p300不喜欢长链和带电荷的酰基辅酶A。

 图2 组蛋白酰化书写器的结构图

(a) P300与巴豆酰辅酶A复合物的总体结构。(b)与p300 HAT结构域结合的巴豆酰/丙酰/丁酰-辅酶A的结合细节。粗分线表示底物赖氨酸(Lys)和取代的巴豆酰基团(cr)。红色箭头表示cr的位移。“back pocket”显示为白色表面。(c)巴豆酰辅酶A的巴豆酰基插入到p300的受体赖氨酸通道中。(d)GCN5与琥珀酰辅酶A复合物的总体结构。(e)琥珀酰/丙酰/丁酰-辅酶A与人GCN5结合的结合细节。粗粉色线表示赖氨酸底物(Lys)。(f)将丙酰辅酶A的丙酰基插入人MOF的酰基结合口袋。

最新的一些研究测定了人源GCN5蛋白与琥珀酰辅酶A、丙酰辅酶A和丁酰辅酶A复合物的结合结构。在这些结构中,酰基CoA采用弯曲构象,并结合到催化结构域的中央裂缝上(图2d)。结构分析显示,与p300一样,丁酰基和丙酰基占据底物赖氨酸通道,并与进入的赖氨酸残基发生空间冲突(图2e)。然而,与p300不同的是,GCN5没有一个“back pocket”来允许酰基链的位移;因此,GCN5几乎没有显示出对丁酰化和巴豆酰化的任何活性,而对丙酰化的活性也仅有乙酰化效率的11%。

值得注意的是,GCN5显示出与核α-KGDH复合物的相互作用,并充当组蛋白琥珀酰转移酶,将琥珀酰辅酶A的局部生成与组蛋白修饰和基因调控联系在一起。尽管琥珀酰基团体积较大且呈酸性,但它采用了独特的旋转体构象,进入口袋后不会与进入的赖氨酸产生空间冲突(图2e)。

尽管组蛋白巴豆酰化从酵母到人是保守的,但酵母中不存在p300/CBP同源物。最近,MYST家族蛋白,人源MOF及其酵母同源物Esa1,被报道为HCTs,负责大量的组蛋白巴豆酰化。酵母Esa1和人源MOF在体外没有显示出HCT活性,这表明它们的HCT活性可能在细胞中受到调节,例如通过复合体形成或修饰来起作用。值得注意的是,已经证实MOF的HAT活性受活性位点赖氨酸的自乙酰化调节。

最近研究显示MOF和其他MYST家族成员在体外和细胞中都具有很强的蛋白质丙酰化活性。结构研究进一步显示,人源MOF的活性中心可以很好地容纳丙酰辅酶A,其中丙酰基的末端甲基紧密地位于构成酰基结合口袋底部的残基V314和P349旁边(图2f)。酰基结合口袋的有限尺寸可能会抑制体积更大的巴豆酰基的插入,从而抑制MOF的HCT的体外活性;因此,探索MOF体内调节HCT活性的分子基础仍然是一个有趣的话题。


2  组蛋白酰化修饰的擦除器

组蛋白去乙酰化酶(HDAC)分为四类。I类、II类和IV类为锌依赖型,III类(也称为sirtuins)为NAD依赖型。据报道,I类HDACs和III类HDACs都具有组蛋白去巴豆酰化酶(HDCR)活性和组蛋白去β-羟基丁酰化酶活性。

HDAC3是第一个发现具有体外HDCR活性的酶。最近,I类HDACs (HDAC1、HDAC2、HDAC3和HDAC8)被报道为细胞中的主要HDACs,与SIRT 1 相比显示出不同的位点特异性。迄今为止,与巴豆基化组蛋白底物复合的I类HDAC结构还没有得到解决。

HDAC3-共抑制子与肌醇四磷酸复合物的结构解释了I类HDAC的催化机制。HDAC3与共抑制子NCoR的去乙酰化酶的激活结构域(DAD)相互作用。HDAC3包含了一个由八个β-折叠形成的催化核心(图3a)。结构研究显示,当有HDAC3结合时,DAD的N末端α螺旋发生了很大的构象变化。D-肌醇-(1,4,5,6)-四磷酸酯分子(Ins(1,4,5,6)P4)结合在HDAC3和DAD之间的界面上(图3b),对激活酶活性至关重要。Ins(1,4,5,6)P4不仅稳定了HDAC3 - DAD复合物,还给底物表面带来负电荷,并重塑了催化中心,从而确保了HDAC3对碱性组蛋白底物最佳去酰化活性。

参与HDAC3激活的共抑制子和信号配体(磷酸肌醇)突出了组蛋白去酰化的调节复杂性。同时,它也很好地解释了为什么重组纯化的HDAC3单独不能在体外显示HDCR和HDAC活性。I类HDACs显示出相对较强的HDCR活性,而II类HDACs则完全没有HDCR活性。通过比较I类和II类HDACs的催化中心的关键残基后发现,I类HDACs具有“AGG”基序,而非II类HDACs中的“VRPP”基序。有趣的是,将HDAC1中的“AGG”基序替换为“VRPP”基序会导致HDAC活性丧失,但仍保留HDCR活性

 图3 组蛋白酰化擦除器的结构图

(a)HDAC3 - NCOR - Ins(1,4,5,6)P4复合物的总体结构。(b)Ins(1,4,5,6)P4结合至HDAC3和NcoR - DAD结构域。(c)SIRT3 - H3K4Cr复合物的总体结构。(d) SIRT3对赖氨酸巴豆酰化( Kcr )的识别。红色虚线表示氢键或芳香族-π相互作用。(e)SIRT3识别赖氨酸β-羟基丁酰化( Kbhb )。(f)S型β-羟基丁酰化(S – bhb)的电子密度。(g)SIRT3识别组蛋白多肽的β-骨架。H3K9bhb、H3K4bhb和H4K16bhb的多肽骨架的排列比较。–1和+1表示Kbhb位点前后的残基。(h)HDAC1识别H4K16ac的多肽骨架。

最近的证据表明,sirtuins不仅可以从赖氨酸残基中去除乙酰基,还能够去除其他酰基。例如, SIRT5可以去除丙二酰、琥珀酰和戊二酰标记;SIRT6优先水解赖氨酸的长的烷酰基标记,如肉豆蔻酰基标记;而SIRT1、SIRT2和SIRT3,显示出对包括巴豆酰化在内的一系列酰化修饰具有催化活性。结构研究显示,SIRT3采用经典的sirtuin折叠,也即由一个NAD结合的Rossmann折叠模块和一个锌结合基序模块组成(图3c)。H3K4cr多肽的巴豆酰赖氨酸能够插入到一个由SIRT3的 F180、I230、H248、I291和F294等氨基酸残基所形成的疏水口袋中。H248通过氢键与Kcr的酰胺氧基团相互作用,而F180通过苯环与巴豆酰基团的碳碳双键之间形成坚固的π-π堆叠互作(图3d)。

有研究表明人源SIRT3是组蛋白去β-羟基丁酰化酶,其位点偏好H3K4、K9、K18、K23、K27和H4K16。有趣的是,SIRT3不能去除H4K5、K8和K12位点的bhb标记,这些位点有侧翼甘氨酸残基。相比之下,在I类HDACs中没有观察到这种位点类别选择性。结构研究显示,与巴豆酰化不同,bhb基团被一个由残基Q228、H248、V292、F180、I230、F294和V324所形成疏水口袋所识别(图3e)。β-羟基丁酰基的C3碳是手性分子,这将bhb分为R型和S型(图1)。有趣的是,尽管使用的是R/S外消旋混合物来结晶,但晶体中只有S型Kbhb多肽能被SIRT3捕获。互作环境和电子密度都清楚地支持S型bhb的存在(图3f)。S型bhb的转化通常依靠烯醇辅酶A水合酶催化巴豆酰水合作用来实现,而构成酮体的β-羟基丁酸盐主要是R型。因此,这些结果引起了人们对Khb的手性选择调控机制的广泛关注。

SIRT3-Kbhb复合物的结构比对显示,Kbhb多肽的序列基序识别通常由4-5对多肽骨架介导(图3g)。二面角分析表明,中心Kbhb基序(Xi – 1 Ki Xi + 1)的主链几何形状落在核心β链区域。有趣的是,SIRT3不能催化那些富含Kbhb -侧翼甘氨酸残基的位点,这些残基由于高度的旋转自由度,会对β-结构造成不利影响。总体上β-骨架的偏好解释了SIRT3的类别选择性。相比之下,HDAC3可以移除组蛋白Kbhb标记,而与甘氨酸或非甘氨酸序列基序无关。通过HDAC1和H4K16ac模拟肽复合物的结构研究显示,I类HDAC1具有一个深而窄的口袋,组蛋白bhb以“turn-staple”方式被识别,其中酸性残基(HDAC1的D99)参与多个骨架介导的相互作用(图3h)。SIRT3和I类HDACs都主要依赖多肽骨架进行识别,这说明它们广泛的位点特异性。与SIRT3不同,I类HDACs对底物的识别不依赖于β-骨架。不同的骨架敏感性区分了HDACs的Zn依赖性和NAD依赖性亚家族,其功能意义有待深入研究。

除了修饰位点选择性,组蛋白酰化擦除器也具有修饰类型特异性。组蛋白酰化反应在碳链长度、电荷和形状方面有所不同,它们构成了修饰型特异性催化的分子基础。例如,SIRT5的酰基口袋具有带正电荷的精氨酸残基,这使得它更喜欢带负电荷的酰化修饰,例如琥珀酰化(图4a)。相比之下,SIRT6有一个大的疏水口袋,这使得它成为长链烷酰基的完美擦除器,例如肉豆蔻酰化(图4b)。

 图4 组蛋白酰化清除剂修饰型特异性识别和催化

(a)通过SIRT5识别组蛋白H3K 9成功修饰(PDB : 3RIY)(b)识别组蛋白H3K 9的SIRT6修饰(PDB : 3ZG6)


3组蛋白酰化修饰的读取器、非组蛋白酰化修饰以及代谢调控

组蛋白酰化修饰经常作为对接标记来招募下游读取器。目前显示有三个主要结构域参与组蛋白乙酰化和非乙酰化的读取:溴结构域(bromodomain)、双PHD指(DPF)和YEATS。此外,酵母Rtt106的双PH结构域,以及人类p300和ZZZ3的ZZ结构域,也被报道为组蛋白乙酰化读取器。在这些结构域中,DPF和YEATS对组蛋白Kcr具有更高的偏好性,而溴结构域通常不喜欢Kcr。

除了组蛋白巴豆酰化,非组蛋白巴豆酰化在不同的人类细胞系和不同的物种中也被广泛鉴定。HeLa细胞的分析显示,体内有大量的非组蛋白被巴豆酰化,并且参与多种生物事件,如RNA加工、核酸代谢和基因表达。一项利用人肺腺癌细胞系H1299的研究显示,1024个蛋白质上有2696个赖氨酸位点可发生巴豆酰化。而经SAHA处理后的A549细胞中,则发现10163个赖氨酸位点能够巴豆酰化。此外,一项针对烟叶的研究显示637个蛋白质上有2044个赖氨酸巴豆酰化位点。非组蛋白巴豆酰化的广泛存在引起了人们对蛋白质酰化修饰介导的通路调控的极大关注。

组蛋白或非组蛋白酰化的发生取决于同源酰基辅酶A的可用性。一个新出现的主题是代谢酶的核拷贝经常与酰化的书写器相联系,用于靶向酰化控制。例如,α- KGDH复合物与GCN5相互作用,通过局部供应琥珀酰辅酶A促进组蛋白H3K79的琥珀酰化。在神经元细胞中,短链脂肪酸酰基辅酶A合成酶ACSS2与CBP乙酰转移酶相互作用,提供乙酰辅酶A的局部来源,刺激组蛋白乙酰化。

最近有报道称,chromodomainY样转录共抑制子CDYL,是一种巴豆酰辅酶A水合酶,能将巴豆酰辅酶A转化为β-羟基丁酰辅酶A,并对Kcr水平进行负面调节。CDYL的N端存在一个可结合H3K9me3的chromodomain;而C端存在一个烯酰辅酶A水合酶结构域。该酶与HDAC1存在物理相互作用。因此,CDYL是一种特殊的调节蛋白,整合了代谢酶活性、读取器和擦除器功能,以平衡基因组上富含H3K9me3的区域周围的酰化水平。


4 小结

组蛋白上许多新型的非乙酰基酰化修饰正不断地被发现,研究表明它们通常与乙酰化具有相同的调节机制。介导组蛋白酰化修饰的书写和擦除的酶通过识别修饰类型和序列基序,来实现特异性调节。组蛋白酰化修饰在碳链长度、电荷和形状方面有所不同,这为修饰的特异性识别和催化奠定了分子基础。序列基序包括侧链和主链信息。严格的位点特异性通常与酰化侧翼序列的侧链识别相关,而类别选择性通常是骨架识别的结果,例如SIRT3的β-骨架选择性。

组蛋白和非组蛋白上的酰化修饰在细胞中广泛存在并且受到高度调节。组蛋白酰化修饰生物学的最新进展强调了代谢和基因调控之间的天然联系。可以预计在表观遗传学甚至其他生物学领域,酰化修饰将会获得更深入和全面的理解。

该综述总结了组蛋白新型酰化修饰建立和去除的的研究进展,揭示了修饰类型和底物序列特异性催化的分子机制,为认识新型酰化修饰在生理和病理条件下的调控与功能提供新思路。


修饰类型

生理机制

热点应用

乙酰化

最常见的酰化修饰,参与表观遗传、信号转导、代谢调节、细胞凋亡等生物学过程

免疫应答、肿瘤发生、代谢疾病、细胞凋亡等

巴豆酰化

CELL杂志2011年年度表观遗传领域研究亮点,结合转录活跃的染色质区,调控基因表达

生殖调控、表观遗传等

琥珀酰化

参与细胞分化、代谢调控、表观调控、信号转导等生理活动

炎症、代谢疾病、肿瘤等

丙二酰化

能量代谢、抗生素的生物合成、代谢调节和光合作用

代谢紊乱疾病等

二羟基异丁基酰化

染色质功能调节

表观遗传,糖酵解代谢途径等

苯甲酰化

2018年发现的新型修饰,与乙酰化相比,调节甘油磷脂的代谢,卵巢甾类的合成,水解磷脂酶D的信号通路,血清素突触以及胰岛素的分泌过程。

表观遗传等

丰富的组蛋白酰化修饰研究类型


参考文献:

Shuai Zhao, et al., 2018, Beyond histone acetylation—writing and erasing histone acylations. Current opinion in structural biology.

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