聚焦丨五个不同研究组共同揭示组蛋白H2BK120泛素化调控甲基转移酶Dot1L修饰H3K79的分子机制
撰文 | 陈哲 博士
责编丨兮
组蛋白的翻译后修饰对于需要接触DNA的细胞生物学过程具有重要的调控作用，例如转录、DNA损伤修复及重组等，这些修饰可以独立或协同地促进或抑制这些生理过程【1】。组蛋白的翻译后修饰由特定的修饰酶完成，但是有一些修饰状态的建立还需要其它位点上已有修饰的协助，这种现象被称为histone modification crosstalk【2,3】。例如，H3K79的甲基化修饰由甲基转移酶Dot1L催化，但是它需要H2BK120上单泛素化修饰的协助【4】。虽然这一现象早已被发现从酵母到人类中高度保守，但是对于其调控机制的细节还不清楚。
最近，来自国内外五个不同的研究组分别发表了他们各自对H2BK120单泛素化调控Dot1L修饰H3K79甲基化的结构功能研究，共同揭示出了H2BK120单泛素化与H3K79甲基化之间crosstalk的机制细节。
1. 2019年2月11日，来自美国约翰霍普金斯大学医学院的Cynthia Wolberger研究组在Cell上发表了题为Mechanism of Cross-talk between H2B Ubiquitination and H3 Methylation by Dot1L的工作，解析了Dot1L催化结构域结合在H2BK120泛素化的核小体上处于催化准备状态和催化进行中的冷冻电镜结构；
2. 2019年2月12日，来自美国北卡罗来纳大学的Robert K. McGinty研究组在Cell Reports上发表了题为Structural Basis for Recognition of Ubiquitylated Nucleosome by Dot1L Methyltransferase 的工作，解析了Dot1L催化结构域结合在H2BK120泛素化的核小体上的冷冻电镜结构；
3. 2019年2月15日，来自中国上海交通大学医学院的Jing Huang研究组在Cell Research上发表了题为Structural basis of the crosstalk between histone H2B monoubiquitination and H3 lysine 79 methylation on nucleosome 的工作，解析了Dot1L催化结构域结合在H2BK120泛素化的核小体及未被泛素化的核小体上的冷冻电镜结构；
4. 2019年3月28日，来自韩国科学技术院的Ji-Joon Song研究组在Genes & Development上发表了题为Structural basis of recognition and destabilization of the histone H2B ubiquitinated nucleosome by the DOT1L histone H3 Lys79 methyltransferase 的工作，解析了Dot1L催化结构域结合在H2BK120泛素化的核小体及未被泛素化的核小体上的冷冻电镜结构；
5. 2019年4月10日，来自美国纽约大学医学院的Karim-Jean Armache研究组在Molecular Cell上发表了题为Structural Basis of Dot1L Stimulation by Histone H2B Lysine 120 Ubiquitination 的工作，同样也解析了Dot1L催化结构域结合在H2BK120泛素化的核小体及未被泛素化的核小体上的冷冻电镜结构。
这些结构均发现Dot1L催化结构域与核小体的DNA、H2A/H2B酸性Patch以及H4尾部存在着相互作用。通过结合在H2BK120泛素化与未泛素化核小体上结构的比较，发现泛素能够通过相互作用定位及稳定Dot1L与核小体的结合（下图）。
Cynthia Wolberger研究组在Cell上的工作由于捕获到了催化进行中的状态，进一步发现了要实现催化，H3K79残基所发生的构像变化（下图）。
整合以上这些结果，H2BK120上的泛素基团与H2A/H2B的酸性Patch共同将Dot1L定位和稳定在核小体上；接着，通过H4尾部与Dot1L的相互作用，将Dot1L催化活性位点定位到H3K79残基上方；最后，H3K79残基发生的构像变化将其定位到Dot1L催化活性位点，从而完成甲基化反应（下图）。
这项工作是多个研究组共同竞争研究同一课题的典型例证，值得指出的是，有三个研究组首先在bioRxiv上提交了预印版，其中Robert K. McGinty研究组提交于2018年12月20日、Cynthia Wolberger研究组提交于2018年12月22日、Ji-Joon Song研究组提交于2018年12月31日。
H3K79甲基化被广泛关注，除了因为它是histone modification crosstalk的典型代表外，还因为它位于核小体的表面而非组蛋白尾巴的末端，因此很难被相关蛋白识别和结合。虽然其它位点的去甲基化酶早已被报道，但是直到最近才有关于H3K79去甲基化酶或其去甲基化机制的报道【5,6】。Cynthia Wolberger研究组的发现提示，H3K79去甲基化时可能也需要通过变构而将底物暴露于去甲基化酶的活性中心。关于染色质中H3K79甲基化的去除主要是由去甲基化酶完成还是通过核小体turnover实现还有待进一步的研究。
原文链接：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30151-5
https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(19)30087-7
https://www.nature.com/articles/s41422-019-0146-7
http://genesdev.cshlp.org/content/early/2019/03/26/gad.323790.118.long
https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(19)30233-3
制版人：半夏
参考文献
1. Berger, S. L. The complex language of chromatin regulation during transcription. Nature 447, 407-412, doi:10.1038/nature05915 (2007).
2. Suganuma, T. & Workman, J. L. Crosstalk among Histone Modifications. Cell 135, 604-607, doi:10.1016/j.cell.2008.10.036 (2008).
3. Lee, J. S., Smith, E. & Shilatifard, A. The language of histone crosstalk. Cell 142, 682-685, doi:10.1016/j.cell.2010.08.011 (2010).
4.Nguyen, A. T. & Zhang, Y. The diverse functions of Dot1 and H3K79 methylation. Genes & development 25, 1345-1358, doi:10.1101/gad.2057811 (2011).
5. Kang, J. Y. et al. KDM2B is a histone H3K79 demethylase and induces transcriptional repression via sirtuin-1-mediated chromatin silencing. FASEB journal 32, 5737-5750, doi:10.1096/fj.201800242R (2018).
6. Chory, E. J. et al. Nucleosome Turnover Regulates Histone Methylation Patterns over the Genome. Molecular cell 73, 61-72.e63, doi:10.1016/j.molcel.2018.10.028 (2019).
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