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NSMB | 王海波等揭示PWWP结构域识别H3K36甲基化核小体的分子机制
2019-12-10
责编 | 兮

 

表观遗传在从基因表达调控到DNA修复等众多染色质依赖的分子生物学过程中发挥着关键作用。组蛋白修饰是一类重要的表观遗传调控机制,调控着染色质层面的遗传信息解读。在转录延伸过程中,组蛋白甲基化酶SETD2能够通过结合RNA聚合酶II的CTD“尾巴”被招募到染色质上,在核小体H3K36位点上产生三甲基化修饰(H3K36me3)。这一修饰通过招募下游的效应因子在转录延伸、RNA剪接、DNA甲基化以及DNA损伤修复等过程中发挥关键调节作用。

 

PWWP(Pro-Trp-Trp-Pro motif)结构域是最主要的H3K36me3修饰的阅读器(reader)。在以带修饰组蛋白多肽为底物时,PWWP结构域与H3K36me3修饰多肽的结合亲和力在几到几十毫摩尔(mM),比其它阅读器识别其它位点甲基化修饰多肽的亲和力低3-4个数量级。由于H3K36me3修饰位于组蛋白H3伸出核小体DNA位点的附近,有研究推测核小体DNA对PWWP结构域识别H3K36me3修饰起到了协同作用。已有的生化证据显示,在以核小体为底物时,PWWP结构域结合H3K36me3修饰的亲和力相比对应的多肽底物增强了约一万倍【1,2】。最近又有晶体结构显示PWWP结构域可以同时识别H3K36me3多肽和DNA片段【3】。然而,PWWP结构域如何识别核小体上的H3K36me3修饰的分子基础并不清楚。

 

2019年12月9日,德国马克思普朗克生物物理化学研究所的Patrick Cramer研究组(王海波博士为第一作者)Nature Structural & Molecular Biology杂志上发表了题为Structure of H3K36-methylated nucleosome-PWWP complex reveals multivalent cross-gyre binding的文章,解析了首个PWWP结构域与H3K36me3修饰核小体复合物的冷冻电镜(cryo-EM)结构,首次揭示了PWWP结构域协同识别H3K36me3组蛋白修饰和核小体DNA的分子基础。

 

图1. LEDGF蛋白PWWP结构域结合H3K36me3修饰核小体的总体结构

 

作者选用了含有PWWP结构域的转录延伸辅因子LEDGF蛋白和一端带有20bp连接DNA的H3Kc36me3修饰的核小体来研究这一问题。电镜结构显示PWWP结构域结合在核小体两侧的Super-helical location (SHL)7 和1位置,结构模型中只搭建了位于SHL-1 &+7位置一侧的PWWP结构域,同时识别从这一位点伸出的H3“尾巴”上的H3K36me3修饰(图1)。PWWP结构域采用经典的芳香笼(aromatic cage)通过cation-相互作用识别H3K36me3修饰(图2a)。紧挨着芳香笼两侧各有一个带正电的位点(图2b)可以同时和核小体上的两圈DNA结合。这两个位点通过电荷相互作用和氢键分别和核小体SHL+7和SHL-1 附近的DNA结合(图2c)。芳香笼决定了结合的特异性,正电位点提高了结合的强度,这就很好地阐释了PWWP结构域协同识别H3K36me3修饰和核小体DNA的分子基础。

 

图2. PWWP结构域协同识别H3K36me3修饰和核小体DNA的分子机制

 

在人体内,约有40个蛋白质含有PWWP结构域,根据插入序列的不同可以分为多个亚家族。在LEDGF所在的HRP (HDGF-related proteins)亚家族中,参与结合的所有关键氨基酸残基高度保守,因此作者推测这一亚家族识别核小体上的H3K36me3修饰的结合模式相同(图3a,b)。尽管其它亚家族跟HRP亚家族的氨基酸序列差别较大,但是参与结合区域的关键氨基酸还是展示了较高的保守性,并且已知的不同亚家族的PWWP-H3K36me3复合物晶体结构都可以很好的对接(docking)到文章中的模型上(图3c,d)。因此,这一研究揭示了普遍的PWWP结合核小体上H3K36me3修饰的分子机制。
 
图3. PWWP识别核小体结合模式的保守性

 

综上所述,这一研究首次揭示了PWWP结构域识别核小体上H3K36me3修饰的分子机制,并为研究其它近核小体位点(例如H3K27和H4K20)的组蛋白修饰的协同识别提供了范例。Patrick Cramer研究组的王海波博士提出并完成了这一课题。

 

原文链接:
https://doi.org/10.1038/s41594-019-0345-4

 

制版人:CC

 

 

参考文献

 

 

1. Eidahl, J.O. et al. Structural basis for high-affinity binding of LEDGF PWWP to mononucleosomes.Nucleic Acids Research 41, 3924-3936 (2013).
2. van Nuland, R. et al. Nucleosomal DNA binding drives the recognition of H3K36-methylated nucleosomes by the PSIP1-PWWP domain. Epigenetics & Chromatin 6, 12 (2013).
3. Tian, W. et al. The HRP3 PWWP domain recognizes the minor groove of double-stranded DNA and recruits HRP3 to chromatin. Nucleic Acids Research (2019).

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