石曉冰組再次發現一類新型組蛋白閱讀器—ZZ結構域

責編丨迦漵

組蛋白翻譯後修飾是表觀遺傳調控基本機制之一。組蛋白修飾構成一類超越基因序列的“組蛋白密碼”，在染色質層面調控着遺傳信息的組織與解讀。組蛋白修飾的作用模式之一是招募一類被稱作“閱讀器”（reader）的效應因子，通過調節染色質開關狀態而調控染色質結構和基因活性，進而影響細胞分裂、增殖、分化和凋亡等衆多細胞進程。值得注意的是，在癌症等衆多疾病中存在組蛋白修飾及其“閱讀器”識別紊亂的現象，並且這種紊亂識別在癌症等疾病發生髮展進程中發揮重要調節作用。所以對“閱讀器“蛋白的發現和研究是當前表觀遺傳領域的一個熱點，也是近年來表觀藥物研發中的一類重要靶點。

美國MD安德森癌症中心石曉冰實驗室一直致力於開發研究新型“組蛋白密碼”閱讀器，在表觀遺傳領域取得了一系列重要的科學發現。石曉冰博士自從2008年在安德森癌症中心建立實驗室以來，與清華大學李海濤教授課題組合作，通過高通量的組蛋白修飾多肽陣列芯片等平臺篩選發現了多個新型組蛋白修飾的“閱讀器”並解析相關的識別分子機理，包括組蛋白變異體 H3.3特異的 H3K36me3閱讀器 ——ZMYND11蛋白PBP結構域【1】，以及識別組蛋白乙酰化的YEATS結構域【2】。YEATS結構域的發現，是繼1999年把溴域（Bromodomain）定義爲組蛋白乙酰化閱讀器後組蛋白乙酰化識別調控領域的一個重要突破。人類基因組包括四種YEATS結構域的蛋白質，分別是AF9，ENL，GAS41和YEATS2。石曉冰實驗室對這四個家族蛋白逐個進行了深入的研究，研究成果已經陸續發表在Cell、Nature等多家雜誌上。其中，實驗室的博士後宓文義博士主要深入研究了YEATS2作爲YEATS閱讀器結構域蛋白在非小細胞肺癌產生髮展中的促癌作用【3】。

YEATS2 是ATAC（Ada-Two-A-Containing ）轉錄激活複合物中的一個亞基。ATAC複合物由13個亞基組成，其核心是組蛋白乙酰轉移酶GCN5。值得一提的是，GCN5是第一個被鑑定和證明具有組蛋白乙酰化轉移酶活性的蛋白。洛克菲勒大學的David Allis教授就是因爲在四膜蟲（Tetrahymena）中發現酵母GCN5的同源蛋白且具有乙酰轉移酶活性從而開啓了表觀遺傳學研究的熱潮。David Allis教授也因此獲得了今年的拉斯克（Lasker）基礎醫學獎（2018拉斯克獎公佈丨表觀遺傳、RNA和麻醉受關注）。

宓文義博士在進一步研究ATAC複合體在促癌功能中的分子機制過程中，通過高通量多肽陣列芯片篩選並驚喜的發現ZZZ3蛋白的 ZZ結構域能夠特異的識別組蛋白H3的N端序列。ZZ結構域作爲一種新型鋅指結構域首先在dystrophin 蛋白中被鑑定和發現（1996年）。二十年來，ZZ結構域的研究主要集中在細胞骨架中介導蛋白質與蛋白質之間的相互作用以及在杜氏肌營養不良（DMD）疾病中的作用。近日，石曉冰課題組與科羅拉多大學醫學院Kutadeladze實驗室以及貝勒醫學院李蔚團隊強強聯手，分別在Nature Communications和Nature Structural & Molecular Biology上發表了題爲The ZZ-type zinc finger of ZZZ3 modulates the ATAC complex-mediated histone acetylation and gene activation和The ZZ domain of p300 mediates specificity of the adjacent HAT domain for histone H3的論文，分別對ZZZ3和P300兩個ZZ結構域蛋白進行了深入的研究，揭示了ZZ結構域作爲一類全新組蛋白H3閱讀器的作用機制，從而揭開了ZZ結構域家族在染色質水平轉錄調控研究的新篇章。

人類基因組中有20多個含有ZZ結構域的蛋白，包括細胞骨架蛋白（Dystrophin、α-dystrobrevin）、泛素結合蛋白（P62、ZSWIM2）以及染色體修飾相關蛋白（ZZZ3、P300/CBP）等。通過高通量篩選和檢測，宓文義博士等發現其中ZZZ3、P300、CBP、P62、HERC2、ZZEF1、KCMF1、MIB1、MIB2九種蛋白的ZZ結構域能夠特異識別H3氨基端序列。這也與ZZ結構域的同源性分析結果相一致，說明對組蛋白H3的特異性識別已經進化成ZZ結構域的一種重要功能。

蛋白質體外結合實驗和生物物理的檢測實驗證實了ZZZ3的 ZZ結構域選擇特異性地結合組蛋白H3的N端的前四個氨基酸A-R-T-K序列，而不能識別H4、H2A 和H2B。有意思的是， H3K4乙酰化修飾增強了與ZZZ3 ZZ結構域的結合，使其結合力增強了3倍（Kd值由29 µM增強爲8.2 µM）。Kutadeladze實驗室的博士後張禕博士通過NMR結構解析，進一步闡釋了ZZZ3蛋白ZZ結構域特異識別組蛋白H3氨基端和H3K4乙酰化修飾的分子機制。相較於已發現的其它組蛋白修飾閱讀器，ZZ結構域識別組蛋白H3的第1位丙氨酸殘基，其質子化的主鏈氨基是識別過程的關鍵基團。

進一步的結構分析表明，ZZZ3蛋白的ZZ結構域結合組蛋白H3後，H3第4位賴氨酸側鏈周邊殘基較爲疏水，揭示了ZZ結構域對H3K4的乙酰化修飾選擇性的分子基礎。體外生物化學和酶活性實驗證明，ZZZ3 ZZ結構域對H3的識別直接調控了GCN5/ATAC對底物H3修飾活性。細胞生物學和功能基因組學研究證明ZZZ3與H3K4和H3K9 等位點的乙酰化以及ATAC複合物在全基因組水平共定位在基因的啓動子區；ZZZ3的敲除嚴重抑制了ATAC複合物在染色體上的定位並隨之極大降低了ZZZ3結合位點啓動子區的H3K9ac水平，導致目標基因的轉錄水平降低。進一步通過敲低 ZZZ3 後過表達野生型 ZZZ3和閱讀器口袋突變體，證明了ZZ閱讀器結構域對組蛋白H3的識別的重要性。

與ZZZ3類似，轉錄共激活因子p300的ZZ結構域也特異地結合在組蛋白H3 N末端的前幾位氨基酸殘基上；與ZZZ3的ZZ結構域不同的是，H3 N末端的乙酰化和甲基化修飾對p300 ZZ結構域的結合並無顯著影響。張禕博士解析了2.0埃分辨率的p300蛋白ZZ結構域與組蛋白H3 N端複合物的晶體結構。結構顯示H3 N端片段與ZZ結構域的N端形成反平行β片，這一獨特的識別方式與其它閱讀器如PHD結構域等利用中央β片層與H3結合完全不同。細胞學與表觀基因組學證據表明，ZZ結構域結合H3的能力對於p300蛋白的染色質募集是不可或缺的，它與p300中已發表的組蛋白乙酰化閱讀器Bromo結構域相互合作，就像兩隻手一樣幫助p300蛋白抓住染色質，從而發揮作用。

體內與體外的酶活實驗結合ChIP-seq等實驗，發現ZZ結構域結合組蛋白H3 N末端的能力能夠特異地促進p300 HAT結構域對H3K18和K27位點的特異乙酰化，但對H3K4、H3K9位點以及組蛋白H4的乙酰化並無明顯的促進作用。有趣的是，p300 的Bromo結構域對於HAT組蛋白乙酰化的促進能力並無底物的特異性。這一ZZ結構域介導的底物選擇性調控機制是在p300中首次報道的。p300在發育和疾病中發揮着關鍵作用，該研究對於理解p300的分子功能和自我調控機制有重要啓發意義。

石曉冰教授和Tatiana G. Kutadeladze教授爲兩篇文章的共同通訊作者。宓文義博士、張禕博士和呂傑博士爲Nature Communications論文的共同第一作者，張禕博士和研究生薛永銘爲Nature Structure and Molecular Biology論文的共同第一作者。

附主要作者簡介：

石曉冰博士，教授。中科院上海生命科學院博士，斯坦福大學Arthur Kornberg 及 Or Gozani實驗室博後。石曉冰博士自從2008年在MD安德森癌症中心建立實驗室以來，一直致力於開發研究新型“組蛋白密碼”閱讀器，在表觀遺傳領域取得了一系列重要的科學發現。包括組蛋白變異體 H3.3特異的 H3K36me3閱讀器 ——ZMYND11蛋白PBP結構域，識別組蛋白乙酰化的YEATS結構域，以及新型的H3閱讀器ZZ家族蛋白。實驗室現在美國密歇根州Van Andel Research Institute。

宓文義博士，於2011年獲得中國海洋大學海洋藥物醫學博士學位。2012至2014年在美國蓋辛格健康系統（Geisinger Health System）從事博士後研究。2014加入MD安德森癌症中心石曉冰教授實驗室從事表觀遺傳學組蛋白修飾方向的研究，主要研究GCN5/ATAC複合體在染色質調控中的作用。博士後期間，宓博士以第一作者發表兩篇Nature Communications和一篇Oncogene，併入選MD Anderson Cancer Center Epigenetic Scholar.

薛永銘，2011年獲得中國農業大學生物科學專業學士學位，2014年起在美國德州大學MD安德森癌症中心石曉冰實驗室攻讀博士學位，2018年六月答辯畢業。主要研究方向爲腫瘤表觀遺傳學。曾獲得Center for Cancer Epigenetics (CCE) Scholar、The Antje Wuelfrath Gee and Harry Gee, Jr. Family Legacy Scholarship等獎項。

張禕博士，2015年於北京大學獲得生物化學與分子生物學博士學位，2015年至今在科羅拉多大學醫學院Kutateladze實驗室進行博士後研究。主要採用結構生物學手段研究表觀遺傳調控過程中的分子識別，特別是翻譯後修飾的識別，以第一或共同第一作者在Nature Structure Molecular Biology和Nature Communications等學術期刊發表多篇文章。

呂傑博士， 2015年獲哈爾濱工業大學博士學位，2016年至今在貝勒醫學院李蔚教授實驗室從事博士後研究。呂傑以第一作者及通訊作者在Nature Communication, Nucleic Acids Research, Nature等SCI期刊發表文章10餘篇。主要研究方向是生物信息學方法研究表觀遺傳學調控和長非編碼RNAs。

參考文獻：

1. Wen, H., Li, Y.,Xi, Y., Jiang, S., Stratton, S., Peng, D., ... & Li, B. (2014). ZMYND11 links histone H3. 3K36me3 to transcription elongation andtumoursuppression. Nature, 508(7495), 263.

2. Li, Y., Wen, H.,Xi, Y., Tanaka, K., Wang, H., Peng, D., ... & Li, H. (2014). AF9 YEATS domain links histone acetylation to DOT1L-mediated H3K79 methylation. Cell, 159(3), 558-571.

3. Feng, L., Liu, L., Lv, F., Bazan, G. C., & Wang, S. (2014). Preparation and biofunctionalization of multicolor conjugated polymer nanoparticles for imaging and detection of tumor cells. Advanced Materials, 26(23), 3926-3930.