揭示核小体结构对组蛋白修饰酶复合物的酶活调控及其分子机制

原标题：国家蛋白质科学研究（上海）设施用户揭示核小体结构对组蛋白修饰酶复合物的酶活调控及其分子机制

MLL复合物是调控基因转录激活的关键表观遗传因子，参与造血系统发育、成脂分化、个体发育等重要生理过程。其基因突变与白血病、Kabuki综合症、自闭症及多种实体肿瘤的病理机制密切相关。在染色质核小体水平上揭示MLL复合物催化组蛋白H3第4位赖氨酸（H3K4）甲基化修饰的分子机制，也为MLL复合物的靶向药物开发提供了新的研究思路。  

2019年9月4日，上海交通大学医学院上海精准医学研究院黄晶课题组在国际顶尖学术期刊《Nature》在线发表了题为：Structural basis of nucleosome recognition and modification by MLL methyltransferases的研究论文。该研究首次揭示了染色质的核小体结构对组蛋白修饰酶MLL复合物的酶活调控及其分子机制，阐明了组蛋白H2B第120位赖氨酸（H2BK120）的单泛素化修饰对MLL甲基化活性的串扰调控机制（histone crosstalk），并发现了MLL复合物关键组分WDR5蛋白对MLL家族成员活性调控的迥异的分子机理及底物特异性调控机制。同时，《Nature》 发表了题为

A key to unlocking chromatin revealed by complex structures 的评论文章。

  
MLL复合物如何对组蛋白进行操作  

该研究工作通过冷冻电镜单颗粒重构技术分别解析了人源MLL1复合物和MLL3复合物与泛素化修饰核小体及未修饰核小体的近原子分辨率结构，着重探索了MLL复合物在底物为核小体时的组蛋白修饰机制，以及MLL 家族成员底物特异性的分子机理。

人源MLL1复合物和MLL3复合物与泛素化修饰核小体（ubNCP）及未修饰核小体（NCP）的冷冻电镜结构。（A）人源MLL1-ubNCP 复合物的冷冻电镜结构密度图。（B）人源MLL1复合物在未修饰的核小体表面呈现两种不同的结合模式。（C）人源MLL3-ubNCP 复合物的电镜结构密度图和结构模型。（D）调控MLL1和MLL3复合物的底物特异性的结构机制模式图。 

组蛋白修饰通常发生在延伸于核小体结构之外的组蛋白尾端（histone tail）。以往研究认为，MLL复合物主要是通过对组蛋白H3尾端序列的特异性识别来进行组蛋白H3K4位点的甲基化修饰。而该工作表明，MLL复合物与染色质的核小体结构之间存在多个位点的特异性相互作用，促使MLL催化结构域的底物结合口袋在空间上接近组蛋白H3尾端区域，极大的提高了MLL复合物对核小体底物的催化效率。  

MLL复合物与核小体的特异性识别，也促使MLL的组蛋白修饰酶活性可以受到核小体上已有的其它翻译后修饰类型及其结合蛋白的调控。该工作表明，组蛋白H2BK120位点的单泛素化修饰可通过与MLL复合物的直接相互作用，促进MLL复合物在核小体表面的定向结合，从而增强MLL对核小体的组蛋白修饰酶活性。  

此外，该工作还进一步发现，负责在基因启动子区域添加H3K4位点二甲基和三甲基化标记的MLL1蛋白中存在的AS（activation segment）结构域对MLL1复合物发挥高效的催化活性起到十分重要的调控作用；并且，AS结构域的构象是由WDR5所介导的多蛋白相互作用所维持的。 

然而，在负责执行基因增强子区域H3K4位点一甲基化修饰的MLL3复合物中，由于MLL3蛋白缺少AS结构域，导致WDR5-MLL3-RBBP5三元复合物相互作用模式发生了改变，致使WDR5与MLL3的催化结构域直接结合，抑制了MLL3的组蛋白转移酶活性。  

国家蛋白质科学研究（上海）设施电镜、数据库与计算分析、规模化蛋白质制备以及质谱系统为该研究工作中冷冻电镜样品制备、优化及其数据收集与处理、样品生化分析及质谱鉴定等实验提供了重要帮助和技术支持。 
原文链接：  
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1528-1  
https://www.nature.com/articles/d41586-019-02593-6  
（蛋白质设施供稿）