核小体是真核细胞染色质的基本重复单元。它由大约150 bp的DNA缠绕在组蛋白八聚体（H2A、H2B、H3和H4各二分子）上形成。核小体中组蛋白与DNA构成的紧密结构会在空间上阻碍负责转录及复制的酶与这些DNA相互作用，从而抑制相关基因的转录活性。在真核细胞中，组蛋白存在着多种翻译后修饰（如甲基化，乙酰化，磷酸化和泛素化等），组蛋白的单一修饰或多种修饰通过串扰（cross-talk）能够改变位于核小体中的DNA与组蛋白及转录相关蛋白的相互作用，进而精确调控相关基因的表达。表观遗传信号的结构与功能研究是美国华盛顿大学医学院药理系及霍华德休斯医学研究所郑宁教授实验室的一个重要研究方向。在该研究领域中，H3K4甲基化（H3K4me）是一个保守的转录激活的表观遗传调控方式。在酵母中，以ySet1亚基为活性中心的COMPASS复合体负责催化H3K4的甲基化。该酶在人体细胞中的同源物是SET1/MLL家族，包括SETD1A/B和MLL1–MLL4。多年的研究表明包括精神分裂症、自闭症以及混合世系白血病等许多人类疾病都和这六个MLL家族成员中的突变有着密切的联系。但由于缺乏对SET1/MLL复合物结构以及这些酶底物识别机制的了解，靶向SET1/MLL的治疗方案受到极大限制。2018年，郑宁研究组报道了COMPASS的最小的催化单元及其人源同源物的组装以及催化H3K4单甲基化至三甲基化的特异性(H3K4me1-3)识别机制（Cell背靠背丨解析H3K4甲基转移酶复合物COMPASS的分子机制——陈勇解读）【1】，为理解H3K4甲基转移酶家族的功能和分子调节机制提供了重要参考意义。有趣的是，H3K4的甲基化过程会受到另一个高度保守组蛋白修饰（组蛋白H2B单泛素化H2Bub）的调控。2002年，包括David Allis实验室和AliShilatifard实验室在内的多个团队的研究发现，在酵母中，H2Bub修饰能够调控COMPASS复合体介导的H3K4甲基化【2,3】。但是此后多年，人们都没能找到这两种组蛋白修饰之间调控的直接生化证据。直到2013年，Robert Roeder 实验室才通过使用经过化学共价修饰的含有H2Bub的染色质以及重组的COMPASS复合体蛋白，证实了H2B泛素化可以激活COMPASS复合体的甲基化酶催化活性【4】。然而，这种激活作用是由于H2Bub能够招募COMPASS复合体，使得后者更容易结合到染色质并进一步甲基化组蛋白H3K4；还是由于H2B泛素化后会导致变构调节进而激活COMPASS复合物的酶活仍然未知(图1)。令人感兴趣的是，尽管酵母COMPASS和它的六个人源同源物之间保持有很高的保守性，H2B的泛素化信号只激活酵母Set1和它最相近的人源同源物SETD1A，虽然以前有一些证据表明MLL蛋白也可以被H2Bub激活，但是支持二者之间直接联系的体内证据仍有待建立。图1. 组蛋白H2B泛素化与H3K4甲基化互相串扰的两个模型
因此，为了尝试回答H2Bub是如何激活COMPASS的甲基化酶活性这个基础的生物学问题，2019年11月13日，美国华盛顿大学医学院药理系及霍华德休斯医学研究所的郑宁研究组与美国华盛顿大学的Champak Chatterjee研究组合作，在Molecular Cell杂志发表了题为Structural Basis of H2B Ubiquitination-Dependent H3K4 Methylation by COMPASS的文章。这项研究分别解析了COMPASS复合体核心组分（仍可被H2Bub调控）与未修饰核小体以及带有H2B泛素化修饰核小体复合物的冷冻电镜结构。在这两个结构中，核小体泛素化与否并不影响其与COMPASS的结合模式，表明组蛋白泛素化修饰并不是作为“登陆垫（landing-pad）”通过招募COMPASS的模式来调控其甲基化酶活性。通过对结构的深入分析，作者发现，Set1的一个富含精氨酸的结构元件（arginine-rich motif, ARM）巧妙地夹在COMPASS与核小体之间。当COMPASS结合的是非泛素化的核小体时，该结构元件是以不规则卷曲存在，而当核小体的H2B被泛素化后，该结构元件会发生显著的构象变化，形成一段稳定的a-螺旋。除此之外，作者还发现，在COMPASS与泛素化的H2B复合体结构中，存在有多处细微的构象变化，而这些构象的变化使得COMPASS更易于与底物相互作用。基于以上结果，作者提出了当H2B没有被泛素化时，Set1的ARM元件为柔性的不规则卷曲，这种柔性状态为COMPASS的催化结构域引入了动态的不稳定性，进而导致COMPASS自抑制效应。而当H2B被泛素化时，H2B上泛素的存在会稳定ARM的构象，从而通过变构调节显著地解除了COMPASS的自抑制，激活了COMPASS的甲基化酶活性(图2)。图2. COMPASS-核小体复合体的冷冻电镜结构
值得注意的是，今年9月，来自上海交通大学第九人民医院精准医学研究院的黄晶研究组解析了结合泛素化核小体的MLL1/MLL3的冷冻电镜结构。该研究揭示了泛素化核小体激活人源甲基化酶活性的机制（详见BioArt报道：Nature| 黄晶课题组揭示核小体结构对组蛋白修饰酶复合物的酶活调控及其分子机制）【5】。通过比对COMPASS和MLL复合体的结构，研究人员发现酵母和人源的甲基化酶复合体显示出高度相似的核小体结合模式。但是，H2B上的泛素通过不同的机制激活这两种不同来源的酶。这些区别极有可能反映了COMPASS和MLL蛋白在序列和活性上的差异。COMPASS对于未泛素化修饰的核小体几乎没有活性，而MLL则具有更强的本底活性。因此，尽管H2Bub也可以一定程度上增强MLL的甲基化活性，但却并不像激活COMPASS一样是从无到有的改变。尽管这两个研究结果共同揭示了H2Bub如何影响H3K4甲基化酶复合体的构象变化并通过变构机制激活其酶活，但COMPASS在H2B未泛素化时为何活性存在自抑制现象的机制仍然不清楚。因此需要通过捕捉COMPASS及其人源同源物SETD1A失活状态下的复合体结构，来进一步解释自抑制的形成机制。同时，人们还需要进一步了解H3K4甲基化修饰如何在不同核小体之间进行传递，并于其他组蛋白修饰进行串扰。https:///10.1016/j.molcel.2019.10.0131. Hsu, P.L., Li, H., Lau,H.T., Leonen, C., Dhall, A., Ong, S.E., Chatterjee, C., and Zheng, N. (2018).Crystal structure of the COMPASS H3K4 methyltransferase catalytic module. Cell174, 1106–1116.e9.
2. Sun, Z.W., and Allis,C.D. (2002). Ubiquitination of histone H2B regulates H3 methylation and genesilencing in yeast. Nature 418, 104–108.3. Krogan, N.J., Dover, J.,Khorrami, S., Greenblatt, J.F., Schneider, J., Johnston, M., and Shilatifard,A. (2002). COMPASS, a histone H3 (Lysine 4) methyltransferase required fortelomeric silencing of gene expression. J. Biol. Chem. 277,10753–10755.4. Kim, J., Kim, J.A.,McGinty, R.K., Nguyen, U.T.T., Muir, T.W., Allis, C.D., and Roeder, R.G.(2013). The n-SET domain of Set1 regulates H2B ubiquitylation-dependent H3K4methylation. Mol. Cell 49, 1121–1133.5. Xue, H., Yao, T., Cao,M., Zhu, G., Li, Y., Yuan, G., Chen, Y., Lei, M., and Huang, J. (2019).Structural basis of nucleosome recognition and modification by MLLmethyltransferases. Nature 573, 445–449.
|
