“小尾巴”的新抓法-醫(yī)學(xué)院李海濤組揭示PHF14識(shí)別組蛋白H3新模式 時(shí)間：2021-09-09
組蛋白修飾是表觀遺傳調(diào)控重要機(jī)制，在復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和修復(fù)等以染色質(zhì)為模板的細(xì)胞過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。參與組蛋白識(shí)別的因子被形象地稱作組蛋白“閱讀器”（reader）。自1999年美國西奈山醫(yī)學(xué)院的周明明（Ming-Ming Zhou）實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)第一類組蛋白閱讀器—溴域（Bromodomain）以來，發(fā)現(xiàn)新型“組蛋白-閱讀器”識(shí)別對(duì)并探究其生物功能成為表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
2021年9月7日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院李海濤課題組于《Nucleic Acids Research》發(fā)表題為Molecular basis for bipartite recognition of histone H3 by the PZP domain of PHF14（PHF14的PZP結(jié)構(gòu)域二分法識(shí)別組蛋白H3的分子基礎(chǔ)）的研究論文，報(bào)道了PHF14（Plant homeodomain finger protein 14）蛋白作為一種新鑒定的組蛋白H3閱讀器，通過其PZP（PHD1-Znk-PHD2）結(jié)構(gòu)域，“二分法”識(shí)別組蛋白H3氨基端柔性尾巴1-34的獨(dú)特機(jī)制。該工作揭示了PZP結(jié)構(gòu)域家族新的組蛋白結(jié)合活性，并在分子水平上闡釋了PHF14的生物學(xué)功能和作用機(jī)理。
PHF14全長含有3-4個(gè)PHD鋅指結(jié)構(gòu)域。作為一類表觀調(diào)控因子，PHF14在胚胎發(fā)育，癌癥發(fā)生和組織穩(wěn)態(tài)維持等過程中均發(fā)揮著重要作用。例如，純合敲除PHF14的小鼠在出生幾個(gè)小時(shí)候就會(huì)因?yàn)楹粑バ劳?，其肺部組織纖維化，其他組織器官組織發(fā)育異常1,2。PHF14負(fù)調(diào)控PDGFRα、p14AR、p16INK4a和p15INK4b等表達(dá)，進(jìn)而調(diào)控細(xì)胞周期和癌癥發(fā)生過程1-8。盡管PHF14的生物學(xué)功能十分重要，但其分子功能，尤其是其PHD鋅指結(jié)構(gòu)域的組蛋白識(shí)別活力仍不清晰。
本研究通過結(jié)構(gòu)生物學(xué)、生物化學(xué)以及氫氘交換質(zhì)譜等手段，首次發(fā)現(xiàn)PHF14的PZP結(jié)構(gòu)域是一個(gè)超長組蛋白H3氨基端尾巴的高效閱讀器，結(jié)合常數(shù)約為200納摩爾。相比之下，位于PHF14的第三個(gè)和第四個(gè)PHD鋅指則不具備類似識(shí)別能力。PHF14PZP采用兩個(gè)截然不同表面實(shí)現(xiàn)對(duì)非修飾組蛋白H3(1-34)的分段識(shí)別，即采用“β1-insertion loop”表面去識(shí)別組蛋白H3的氨基端H3(1-9)；而用“α-ZP”面去識(shí)別組蛋白H3中間段H3（14-34）。有意思的是，研究發(fā)現(xiàn)PHF14PZP對(duì)組蛋白H3的氨基端和中間段的識(shí)別既可同時(shí)發(fā)生，又可相對(duì)獨(dú)立進(jìn)行，打破其中一段的識(shí)別會(huì)導(dǎo)致結(jié)合力下降10倍至2微摩爾左右，相比于其它組蛋白識(shí)別事件，這仍是一種較強(qiáng)的結(jié)合。這種既同時(shí)發(fā)生又相對(duì)獨(dú)立的分段識(shí)別模式即“二分法”識(shí)別。
令人驚訝的是，該研究發(fā)現(xiàn)了一種全新的PHD 鋅指識(shí)別H3的模式。目前已知PHD鋅指結(jié)構(gòu)域識(shí)別配體的模式一共有四種，即β1面識(shí)別、β1-N面識(shí)別、β2面識(shí)別和α1面識(shí)別。本研究中PHF14PHD1識(shí)別H3的模式不屬于以上任何一種，是一種嶄新識(shí)別模式（圖1）。在經(jīng)典的β1面識(shí)別中，組蛋白H3與β1反向平行，K4順式伸向β2方向，而在PHF14PZP識(shí)別H3中，PHF14PZP特有的一個(gè)柔性插入環(huán)（insertion loop）了序列主導(dǎo)H3K4的識(shí)別。晶體結(jié)構(gòu)研究揭示H3K4反向插向該loop區(qū)，而非經(jīng)典的β1-β2核心口袋。值得注意的是，這個(gè)插入環(huán)在其它擁有類似組蛋白H3識(shí)別能力的旁系同源蛋白，諸如AF10、BRPF1、BHC80、BPTF和ING2等中均不存在，表明PHF14采用了一種特有的PHD鋅指分子設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)組蛋白識(shí)別功能。利用序列和結(jié)構(gòu)上并不保守的一段插入序列來“獲得”組蛋白識(shí)別能力，打破了人們對(duì)PHD鋅指識(shí)別H3K4結(jié)構(gòu)和機(jī)制保守性的認(rèn)識(shí)。本工作也是自2006年首次發(fā)現(xiàn)PHD鋅指具備組蛋白H3K4識(shí)別功能以來，第一次揭示出PHD識(shí)別H3K4的趨異化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這一方面為根據(jù)同源結(jié)構(gòu)域關(guān)鍵殘基保守性來預(yù)測潛在閱讀器組蛋白識(shí)別能力的策略提供了反例，另一方面提示了更多新型閱讀器有待被發(fā)現(xiàn)的可能，同時(shí)充分表明實(shí)驗(yàn)科學(xué)的必要性和重要性。
另一個(gè)值得關(guān)注的地方是，PHF14的直系同源序列比對(duì)顯示，該插入環(huán)序列在從魚至人的物種中高度保守，但在果蠅和線蟲中并不保守，表明PHF14在進(jìn)化至脊椎動(dòng)物后才獲取了組蛋白閱讀器活性。該現(xiàn)象讓人聯(lián)想到CHD1蛋白，人源CHD1的double Chromo結(jié)構(gòu)域能夠識(shí)別H3K4me3，而同源的酵母CHD1則沒有識(shí)別H3K4me3活性，這可能與單細(xì)胞酵母不需要CHD1-H3K4me3識(shí)別來保證基因表達(dá)復(fù)雜度有關(guān)。對(duì)于PHF14的分子設(shè)計(jì)而言，無論是橫向旁系還是縱向直系同源進(jìn)化，只有亟需組蛋白識(shí)別功能的PHF14家族才“后天獲得”了組蛋白識(shí)別功能，提示組蛋白閱讀器在功能需求和結(jié)構(gòu)支撐上存在協(xié)同進(jìn)化。如此“精妙而人為”的分子進(jìn)化設(shè)計(jì)與抗體利用可變區(qū)快速進(jìn)化出抗原表位識(shí)別能力的過程相類似。分子識(shí)別，尤其是修飾介導(dǎo)的分子識(shí)別，所能夠帶來的豐富與多樣永遠(yuǎn)值得人們期待！
圖1. PHF14PZP由獨(dú)特insertion loop 主導(dǎo)對(duì)H3氨基端識(shí)別
進(jìn)一步的修飾交叉會(huì)話研究發(fā)現(xiàn)，PHF14對(duì)H3R2甲基化、T3磷酸化、K4甲基化、R8甲基化和K23乙?；然钴S轉(zhuǎn)錄相關(guān)的修飾敏感，但可以容忍K9三甲基化和K27三甲基化修飾。已有研究表明PHF14是PDGFRα，p14ARF，p15INK4b和p16INK4a的負(fù)調(diào)控因子，本研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果暗示PHF14具備抑制或者維持這些基因的非活躍狀態(tài)的功能。PHF14作為一種非修飾的“基”態(tài)H3(1–34)閱讀器，在維持靶基因非活躍狀態(tài)的同時(shí)，或可因?yàn)榛钴S轉(zhuǎn)錄相關(guān)修飾的建立而實(shí)現(xiàn)去抑制，從而以一種層次性去抑制的策略，響應(yīng)上游信號(hào)，促進(jìn)靶基因從“非活躍“到”活躍“狀態(tài)的切換，實(shí)現(xiàn)基因表達(dá)的命運(yùn)決定。因此，本工作的研究成果為后續(xù)圍繞PHF14的功能研究提供了重要機(jī)理支撐和理論指導(dǎo)。
圖2. PHF14對(duì)H3識(shí)別的分子機(jī)制及分子功能闡釋
本研究成果在清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院完成。李海濤教授為通訊作者，鄭雙平博士為第一作者，畢于聰碩士以及陳海寧同學(xué)對(duì)本研究作出了重要貢獻(xiàn)。本工作還得到了生命學(xué)院龔波博士和賈順姬老師的指導(dǎo)和支持。同時(shí)，本工作也得到了國家蛋白研究中心（上海），清華大學(xué)蛋白質(zhì)化學(xué)與組學(xué)平臺(tái)質(zhì)譜平臺(tái)以及清華大學(xué)X-ray晶體學(xué)平臺(tái)的大力支持與幫助。
原文鏈接：
https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkab670/6345469
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參考文獻(xiàn)：
1.?Kitagawa, M. et al. Phf14, a novel regulator of mesenchyme growth via platelet-derived growth factor (PDGF) receptor-alpha. J Biol Chem 287, 27983-27996, doi:10.1074/jbc.M112.350074 (2012).
2. Huang, Q. et al. Depletion of PHF14, a novel histone-binding protein gene, causes neonatal lethality in mice due to respiratory failure. Acta biochimica et biophysica Sinica 45, 622-633, doi:10.1093/abbs/gmt055 (2013).
3. Zhao, Y. et al. PHF14 Promotes Cell Proliferation and Migration through the AKT and ERK1/2 Pathways in Gastric Cancer Cells. Biomed Res Int 2020, 6507510, doi:10.1155/2020/6507510 (2020).
4. Wu, S. et al. Silencing expression of PHF14 in glioblastoma promotes apoptosis, mitigates proliferation and invasiveness via Wnt signal pathway. Cancer Cell Int 19, 314, doi:10.1186/s12935-019-1040-6 (2019).
5. Miao, L., Liu, H. Y., Zhou, C. & He, X. LINC00612 enhances the proliferation and invasion ability of bladder cancer cells as ceRNA by sponging miR-590 to elevate expression of PHF14. J Exp Clin Cancer Res 38, 143, doi:10.1186/s13046-019-1149-4 (2019).
6. Jung Eun Park, S. W. T., Guo Xue, Christina AssisiMaqueda1, Gallart Palau Xavier Ramon1, Jee Keem Low2, Oi Lian Kon3 Tay4, James P. Tam1 and Siu Kwan Sze. Pulsed SILAC-based proteomic analysis unveils hypoxia- and serum starvation-induced de novo protein synthesis with PHD finger protein 14 (PHF14) as a hypoxia sensitive epigenetic regulator in cell cycle progression. Oncotarget 10, 2136-2150 (2019).
7. Zhang, L. et al. A novel PHD-finger protein 14/KIF4A complex overexpressed in lung cancer is involved in cell mitosis regulation and tumorigenesis. Oncotarget 8, 19684-19698, doi:10.18632/oncotarget.14962 (2017).
8. Akazawa, T. et al. Aberrant expression of the PHF14 gene in biliary tract cancer cells. Oncology letters 5, 1849-1853, doi:10.3892/ol.2013.1278 (2013).
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