组蛋白H2AK119位点单泛素化修饰（H2AK119Ub）是调节基因转录、DNA损伤修复和高阶染色质结构的关键表观遗传学标志。H2AK119Ub由泛素E3连接酶PRC1写入，并被USP3, USP12, USP16, USP21, USP22, USP46, PR-DUB and Mysm1等多种去泛素化酶擦除。其中，USP16是最早在2007年被鉴定到的H2AK119Ub核小体去泛素酶。USP16对H2AK119Ub的擦除在细胞周期M期进展、基因表达、干细胞自我更新和细胞衰老中至关重要。在阿尔茨海默症中，抑制USP16表达能逆转干细胞衰老和记忆丧失【1】。此外，基因定位在二十一号染色体的USP16在唐氏综合征（也称“21-三体综合征”）患者体内剂量依赖地过表达，导致干细胞缺陷等障碍【2,3】。尽管USP16具有很重要的生理与病理功能，但我们尚不清楚USP16催化H2AK119Ub核小体去泛素化的机制细节。

近期报道的H2AK119Ub被异源二聚体去泛素化酶PR-DUB选择性擦除的机制显示PR-DUB催化亚基BAP1和辅因子ASXL协同识别核小体H2A-H2B酸性区域、核小体DNA SHL 0和SHL 6，将BAP1的活性中心靶向H2AK119Ub的异肽键，进而切割泛素【4,5】。然而，USP16与PR-DUB分属不同的去泛素化酶家族（USP家族与UCH家族），且USP16以单亚基形式独立擦除H2AK119ub（BAP1需要ASXL激活），表明USP16通过一种独特的识别和催化机制去泛素化H2AK119Ub核小体。

本研究中，作者首先通过本团队2011年发展的多肽合成领域广泛使用的多肽酰肼法【6】、通过四片段分割法化学合成了具有天然异肽键链接的H2AK119Ub组蛋白（图1），并与其它三种核心组蛋白（H2B、H3、H4）组装成八聚体，随后缠绕601序列的DNA组装成H2A K119位点精准泛素化修饰的核小体。体外去泛素化实验表明，USP16在H2AK119Ub核小体底物而非组蛋白八聚体底物上具有泛素切割活性（图3b），表明USP16行使功能依赖完整的核小体结构。

图1. 天然异肽键的H2AK119Ub组蛋白的化学合成路线【7】

接着，为构建稳定酶-底物复合物，作者通过二溴丙酮方法合成了H2AK119Ub模拟物样品（图2）【8】，将泛素的羧基末端与H2A K119C的侧链通过烷基化反应连接起来，该链接形式可以耐受去泛素化酶的水解切割。

图2. 异肽键不可水解的H2AK119Ub组蛋白的化学合成【8】

随后作者将该不可水解的H2AK119Ub组蛋白组装成核小体，与人源全长USP16蛋白组装复合物，并通过冷冻电镜解析了整体分辨率为3.05 的1:1结合比例的复合物结构（图3c, d）。在该结构中，USP16与H2AK119Ub核小体的相互作用主要分为三个部分：1) USP16的碱性残基R755和K272/K273分别识别核小体SHL 6.5和SHL 0 DNA；2) USP16与组蛋白H2A羧基末端尾巴和H2B羧基末端螺旋相互作用；3) USP16识别泛素分子上的L8、I36、I44和L71/L73互作热点区域。令人意外的是，USP16不与核小体上的染色质互作热点区域——H2A/H2B酸性区域产生相互作用。

图3. USP16结合H2AK119Ub核小体的结构

综上，这项研究揭示了单亚基去泛素化酶USP16擦除H2AK119Ub修饰的独特机制，强调了H2AK119Ub去泛素化机制的多样性，为理解USP16的疾病相关突变提供了结构框架。

概念图：核小体H2AK119Ub擦除模式的多样性，后方的起钉锤（PR-DUB）需要以木板（核小体H2A/H2B酸性区域）为支点拔出钉子（H2AK119Ub）；前方的钳子（USP16）不需要木板支撑即可拔出钉子（H2AK119Ub）

清华大学化学系刘磊教授和上海交通大学转化医学研究院潘漫副教授为本文的共同通讯作者。清华大学化学系博士后艾华松（现正在入职上海交通大学药学院）、生命科学学院2022级博士生何藻蓁和2024届毕业博士邓智亨为本文共同第一作者。中国科学技术大学生命科学与医学部特任副研究员储国超、清华大学化学系2022级博士生石强、生命科学学院2024届毕业博士童泽彬和苏州大学药学院副教授李佳斌为本工作提供了重要支持。清华大学冷冻电镜平台为本研究提供了设备和技术支持。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41594-024-01342-2

刘磊教授课题组研究蛋白质化学合成。发现了蛋白酰肼连接反应，发明了被国际学术界与工业界普遍采用的蛋白质化学合成新方法即蛋白酰肼法，已成为世界公认的最有效的一种蛋白质化学合成技术，可在百毫克量级结晶纯度制备任意可能结构且可达500氨基酸的蛋白质，理论上已覆盖人类蛋白质型态组的61%，开启了国际蛋白质化学合成跨入超越500氨基酸及多结构域蛋白的历史新时代。运用蛋白酰肼法人工合成蛋白质，突破了生物方法制备蛋白的局限，为生物医学及药物发现研究提供了关键技术，解答了诸如泛素E3连接酶连续性催化底物蛋白泛素化及链延伸的分子机制等若干公认具有挑战性的生物化学难题，完成了多个潜在蛋白靶点的创新药物概念确认和先导分子发现，凸显了蛋白质化学合成在人类蛋白质型态研究中的重要关键作用。（实验室网址：http://www.liulab-tsinghua.com/）

潘漫教授课题组致力于解析泛素化修饰调控蛋白功能及稳态的相关机制，主要研究方向包括（1）设计合成不同类型泛素修饰蛋白探针，并运用这些探针工具解析泛素化修饰的修饰、去修饰及功能机制；（2）设计合成泛素化修饰蛋白作为功能测试工具，以实现针对泛素化修饰的小分子药物活性评价及作用机理解析；（3）基于泛素修饰的酶学发生解离机制开发新型靶向蛋白降解（Targeted Protein Degradation, TPD）分子骨架，设计TPD药物分子。

刘磊教授和潘漫教授课题组长期招聘博士后，欢迎志同道合者加盟。

参考文献

编辑 |余 荷

排版| 王大雪

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