研究揭示組蛋白乙醯轉移酶活性調節的新機制

8月9日，中國科學院生物物理研究所許瑞明課題組與美國哥倫比亞大學張志國課題組合作完成的研究論文，以Multisite substrate recognition in Asf1-dependent acetylation of histone H3K56 by Rtt109為題，發表在Cell上。該工作通過解析真菌特有的組蛋白乙醯轉移酶Rtt109與活性調節因子Asf1以及底物H3-H4複合物的晶體結構，結合生化和遺傳學實驗，首次揭示組蛋白伴侶調節組蛋白修飾酶活性的分子機理。這是染色質領域第一個組蛋白修飾酶與完整底物複合體的結構。

核小體是真核生物染色質的基本結構單元，由約146bp的DNA纏繞在核心組蛋白八聚體而形成的。染色質局部結構的動態變化影響許多重要的生命活動過程，如DNA複製、RNA轉錄、DNA損傷修復、重組等。組蛋白翻譯後修飾是影響染色質結構的重要因素，這些修飾主要發生在組蛋白末端的尾巴上，包括甲基化、乙醯化、磷酸化和泛素化等修飾。

2007年，張志國和許瑞明課題組合作報道組蛋白H3K56位乙醯化現象，並鑒定出真菌特有的乙醯轉移酶Rtt109是催化該修飾的酶。這與之前發現的所有位於組蛋白N-端無規則尾巴的位點都不同，H3K56位於H3的N端α-螺旋結構域內，靠近核小體DNA的進出口。缺少H3K56乙醯化修飾的細胞易發生DNA損傷及染色質重排，這與該修飾在DNA複製叉的穩定及核小體成熟中發揮的作用相關。張志國和許瑞明課題組進一步研究兩種組蛋白伴侶Asf1和Vps75對Rtt109酶活性的調節作用，體外實驗表明兩種組蛋白伴侶均可與Rtt109形成複合體，但Vps75主要促進了Rtt109在H3K9和H3K27位點的催化活性，而Asf1是促進H3K56位乙醯化的重要調節因子。

Rtt109和Asf1體外複合體的組裝存在一定困難，如何排除Vps75的干擾需要很多嘗試。許瑞明和張志國課題組經過十餘年努力，巧妙地通過採用缺少Vps75結合部位的煙麴黴的Rtt109，與酵母Asf1和底物組蛋白H3-H4組裝了很好的複合體，並解析該四元複合物與乙醯基供體CoA複合物的晶體結構。從結構中可以看到，H3K56所在的N端α-螺旋被打開，形成一段柔性的loop區，該loop區結合在Rtt109的活性口袋周圍，從而使H3K56的側鏈伸入活性口袋。儘管組蛋白伴侶Asf1對於H3K56修飾必不可少，但Asf1與Rtt109之間並沒有直接的相互作用。Asf1通過其C端的一個β-strand與組蛋白H4的C端之間形成β-摺疊片，穩定了H4末端的一個關鍵片段，使底物處於更利於催化的構象進而促進Rtt109的活性。這個結構特性被進一步的生化和遺傳學實驗確證是Rtt109發揮功能的必要條件；另外，Rtt109與組蛋白H3的核心螺旋結構的相互作用也是其活性所必需的。這項工作首次揭示了組蛋白修飾酶的多亞基、多底物識別位點的複雜調控機制，為理解該類乙醯化酶的底物識別和活性調控機制提供了重要基礎，也為以Rtt109為靶點的抗真菌藥物研究提供了線索和依據。

研究工作由許瑞明課題組與張志國課題組合作完成。許瑞明和張志國為論文的共同通訊作者，許瑞明課題組博士生張林和張志國課題組Serra-Cardona Albert為論文的共同第一作者。研究工作得到了國家自然科學基金創新群體、重大國際合作項目，國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）、國家重點研發計劃，中科院戰略性先導科技專項（B類）和北京市自然科學基金的資助。

Rtt109-Asf1-H3-H4四元複合物和醯基供體乙醯輔酶A複合體的晶體結構。H3的N端α-螺旋被打開，形成一段柔性的loop區；Asf1並不與Rtt109直接相互作用，而是通過其C端的一個β-strand與組蛋白H4的C端之間形成β-摺疊片，穩定了H4末端的一個關鍵片段，使得底物處於更利於催化的構象進而促進Rtt109的活性。

來源：中國科學院生物物理研究所

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