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贾松涛团队发现组蛋白H3K14泛素化协同H3K9M突变在异染色质区域选择性束缚H3K9甲基转移酶Clr4

已有 641 次阅读 2021-5-19 08:44 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流


北京时间2021年5月18日晚23时,美国哥伦比亚大学生物系贾松涛研究团队Cell Reports上发表论文——“The histone H3K9M mutation synergizes with H3K14 ubiquitylation to selectively sequester histone H3K9 methyltransferase Clr4 at heterochromatin”。


该研究详细阐明了组蛋白H3K14泛素化在H3K9M突变选择性束缚甲基转移酶Clr4过程中的重要作用。贾松涛 (Songtao Jia) 博士为该论文的通讯作者,单淳敏 (Chun-Min Shan) 博士为第一作者。



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组蛋白甲基化修饰是基因表达表观遗传调控的最主要组成部分之一。在人类基因组含有多个编码组蛋白的基因,具有相当强的冗余性,因而传统的观念一般认为,单个组蛋白上产生的一般突变并不会对个体产生较大影响。

 

然而近年来的的多项大规模测序研究证明,一类在不同种类(如儿童脑胶质瘤和成人软骨细胞瘤)癌细胞中被广泛发现、存在于多个甲基化位点的K-to-M突变(Schwartzentruber et al., Nature, 2012; Behjati et al., Nat Genet, 2013), 是可以显著降低全基因组水平组蛋白相应位点的甲基化水平的显性突变 (Chan at al., Genes Dev, 2013; Lewis et al., Science, 2013)。


后续研究表明,这类突变可能是直接导致肿瘤发生的“驱动突变”(driver mutation)(Fang et al., Science, 2016;Lu et al., Science, 2016)。因而,研究该突变如何影响基因组水平组蛋白H3甲基化水平的机制具有重要意义。

        

 贾松涛实验室的前期工作在裂殖酵母中建立了研究组蛋白K-to-M突变机制的体系,发现和人及动物细胞一样,H3K9M可以造成全基因组水平H3K9甲基化水平的降低。进一步研究发现,H3K9M可以将甲基转移酶束缚在该突变位点上,从而影响甲基化从异染色质起始位点向周边的扩散(spreading)(Shan et al., eLife, 2016)。


进一步的研究解析了H3K36M肽段与相应甲基转移酶的共结晶结构并发现这类K-to-M突变对异染色质组装的影响具有相似机制,证明这种束缚的机制是普适的(Zhang and Shan et al., Sci Rep, 2017)。


这些工作首次报道了并证明K-to-M突变在体内可以通过束缚甲基转移酶影响基因组的甲基化水平。然而,在人类细胞中,近期的一些研究表明,H3.3K27M突变及该位点的甲基转移酶复合体PRC2在体内的分布并不完全重合(Piunti et al., Nat Med, 2017; Fang et al., eLife, 2018), 从而对甲基转移酶的束缚模型提出了挑战。

         

为了进一步详细解释这些问题,研究人员继续以裂殖酵母作为模型,研究是否有其他因素影响K-to-M突变对甲基转移酶的束缚。全基因组水平的ChIP-seq研究结果证明,H3K9M对H3K9位点的甲基转移酶Clr4的束缚仅存在于异染色质(heterochromatin)区域。Clr4是CLRC复合体的重要组成部分,而最新的研究证明CLRC复合体同时是催化H3K14位点泛素化的E3泛素化连接酶。


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H3K9M选择性束缚Clr4的机制示意图。


研究人员通过体内遗传学研究发现,H3K14R突变可以有效降低Clr4被H3K9M突变的束缚,相对恢复全基因组水平H3K9甲基化水平。 体外实验表明,H3K14增强H3K9M束缚甲基转移酶Clr4的能力。利用一个仅大大降低Clr4同H3K14泛素化的相互作用,而不改变整体结构的Clr4突变体(F256A, F310A, F427A),研究人员进一步为以上假说提供了有力证据。


有趣的是,体外实验动力学实验(BLI和Thermo shift)观察到,H3K14泛素化并不能增强甲基转移酶同H3K9M的亲和力,但可以显著减缓甲基转移酶的脱离速率。这些研究结果证明,H3K9M对甲基转移酶的强烈束缚,是通过H3K14泛素化的协同作用完成的。由于H3K14 存在于异染色质区域,因而对Clr4的束缚也选择性地固定在相应区域。


无独有偶,最新的一项结构生物学研究发现,在人类细胞中,组蛋白H2AK119ub可以协同JARID2-AEBP2,调节组蛋白H3K27甲基转移酶复合体PRC2同核小体的结合(Kasinath et al., Science, 2021),这表明H3K27M可能也存在需要其他机制协同完成对PRC2的束缚。

 

基于这些研究成果的进一步研究,可能会从机制上解释困扰研究者多年的,为什么 K-to-M突变同甲基转移酶的在体内具有强烈结合,而在体外为何常常难以检测到的问题,从而推动相关癌症治疗靶点的发现及相关药物的开发。


相关论文信息:

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2021.109137




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