“異”曲同工之妙：李海濤/孫前文/李丕龍課題組合作發(fā)文報(bào)導(dǎo)一類(lèi)全新植物異染色質(zhì)蛋白
2018年11月13日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院李海濤課題組攜手生科院孫前文課題組、李丕龍課題組在Cell Research雜志在線發(fā)表題為“Plant HP1 protein ADCP1 links multivalent H3K9 methylation readout to heterochromatin formation”（植物HP1蛋白ADCP1關(guān)聯(lián)多價(jià)態(tài)組蛋白H3K9甲基化識(shí)別并介導(dǎo)異染色質(zhì)形成）的合作研究成果，發(fā)現(xiàn)一類(lèi)植物特有的新型組蛋白甲基化閱讀器ADCP1，并確定其為動(dòng)物HP1（Heterochromatin Protein 1，異染色質(zhì)蛋白1）功能同源蛋白，揭示出其在植物異染色質(zhì)維持和轉(zhuǎn)座子元件沉默中的作用，彰顯了不同生命界中表觀機(jī)制的復(fù)雜性和保守性。
HP1是一類(lèi)從裂殖酵母到人都保守存在的異染色質(zhì)蛋白，它含有一個(gè)識(shí)別組蛋白H3K9甲基化修飾的chromo結(jié)構(gòu)域和一個(gè)能自身二聚并介導(dǎo)與其他蛋白互作的chromoshadow結(jié)構(gòu)域，在組成型異染色質(zhì)形成和維持過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。令人吃驚的是，如此重要的表觀因子在植物中卻未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。擬南芥中，HP1序列同源蛋白LHP1主要識(shí)別組蛋白H3K27甲基化修飾，從功能上發(fā)揮了類(lèi)似于動(dòng)物中多聚梳（Pc）家族成員（主要調(diào)控兼性異染色質(zhì)形成）的作用。那么植物中是否真正存在與動(dòng)物HP1功能類(lèi)似，通過(guò)識(shí)別組蛋白H3K9甲基化來(lái)調(diào)控異染色質(zhì)功能的蛋白呢？圍繞這一科學(xué)問(wèn)題，李海濤課題組及合作者曾相繼開(kāi)發(fā)了基于表面等離子體激元共振成像（SPRi）的微陣列篩選平臺(tái) (Zhao et al., PNAS 2017) ，并對(duì)擬南芥中潛在的閱讀器結(jié)構(gòu)域進(jìn)行了系統(tǒng)表征 (Zhao et al., Cell Rep 2018) 。在最新的工作中，研究人員基于SPRi平臺(tái)篩選出一類(lèi)識(shí)別H3K9甲基化并且為植物所特有的串聯(lián)Agenet結(jié)構(gòu)域蛋白：ADCP1 (Agenet Domain-Containing Protein 1)，發(fā)現(xiàn)ADCP1雖然與動(dòng)物HP1不存在序列同源性，但其對(duì)于組蛋白的識(shí)別性質(zhì)、結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、異染色質(zhì)功能調(diào)控和相分離行為等都與動(dòng)物HP1有著高度相似性，呈現(xiàn)出一種功能同源的趨同進(jìn)化分子設(shè)計(jì)。
ADCP1本身是一個(gè)三重串聯(lián)Agenet結(jié)構(gòu)域蛋白，在植物中高度保守并且廣譜表達(dá)。基于SPRi篩選并結(jié)合等溫量熱滴定（ITC）實(shí)驗(yàn)，研究人員確定了ADCP1的三個(gè)串聯(lián)Agenet結(jié)構(gòu)域都是位點(diǎn)特異性的H3K9me2（組蛋白H3賴(lài)氨酸9二甲基化）修飾閱讀器并且可以被臨近的H3S10ph（組蛋白H3絲氨酸10磷酸化）修飾破壞結(jié)合。通過(guò)修飾多肽復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)解析，研究人員闡明了ADCP1識(shí)別組蛋白H3K9me2的分子基礎(chǔ)，并開(kāi)展了突變體實(shí)驗(yàn)完成了驗(yàn)證。在解析的復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)中，ADCP1串聯(lián)Agenet結(jié)構(gòu)域呈現(xiàn)出一種獨(dú)特的整體折疊和多肽識(shí)別模式（圖1）。其中每個(gè)串聯(lián)Agenet結(jié)構(gòu)域中的兩個(gè)Agenet單體以“頭碰頭”方式擁簇堆積，并借由一段氨基端α螺旋、一對(duì)羧基端β折疊片和一段鏈接兩個(gè)Agenet單體的脯氨酸loop所構(gòu)成的疏水簇底座而穩(wěn)定。組蛋白H3（1-10）多肽結(jié)合在遠(yuǎn)離疏水簇底座的酸性表面，其中H3K9me2插入到第二個(gè)Agenet結(jié)構(gòu)域的“芳香籠”（aromatic cage）被識(shí)別，而非修飾的H3K4插入到第一個(gè)Agenet結(jié)構(gòu)域的酸性口袋被識(shí)別，同時(shí)H3多肽的4-7區(qū)段被誘導(dǎo)形成一小段α螺旋在兩個(gè)Agenet結(jié)構(gòu)域接觸面處參與識(shí)別。ADCP1對(duì)H3K9me2的識(shí)別依賴(lài)于組蛋白H3K4及更近氨基末端的序列，而H3K9和H3K27臨近且保守的“ARKS”基序未參與關(guān)鍵識(shí)別，因此ADCP1對(duì)于H3K27位點(diǎn)完全沒(méi)有結(jié)合力，進(jìn)而解釋了ADCP1對(duì)H3K9me位點(diǎn)識(shí)別的特異性。
圖1，ADCP1串聯(lián)Agenet結(jié)構(gòu)域呈現(xiàn)出一種獨(dú)特的整體折疊和多肽識(shí)別模式
在接下來(lái)的工作中，研究人員用免疫熒光染色和ChIP-seq實(shí)驗(yàn)在植物體內(nèi)證實(shí)了ADCP1與異染色質(zhì)H3K9me2共定位（圖2）。ADCP1富集在著絲粒旁區(qū)異染色質(zhì)及常染色體臂的異染色質(zhì)補(bǔ)丁區(qū)等，偏好富集于較長(zhǎng)的轉(zhuǎn)座子（>4kb），尤其是Gypsy LTR逆轉(zhuǎn)座子等。隨后，通過(guò)觀察adcp1突變體以及瞬時(shí)超表達(dá)ADCP1到原生質(zhì)體的細(xì)胞核染色中心（chromocenter）凝聚狀態(tài)，研究人員發(fā)現(xiàn)ADCP1對(duì)異染色質(zhì)染色中心的形成至關(guān)重要，它的缺失或者過(guò)量表達(dá)都會(huì)造成染色中心的解聚或彌散，且該過(guò)程依賴(lài)于對(duì)H3K9me2的識(shí)別。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)adcp1突變體中H3K9me2以及CHG/CHH甲基化水平顯著下降，并且激活了一些轉(zhuǎn)座子的表達(dá)。綜上所述，研究人員在擬南芥中的功能研究表明ADCP1是一類(lèi)重要的植物HP1家族成員，對(duì)于異染色質(zhì)形成、H3K9me2和CHG/CHH甲基化維持，以及轉(zhuǎn)座子沉默是必不可少的。
圖2，ADCP1與異染色質(zhì)H3K9me2共定位
ADCP1內(nèi)在的多價(jià)態(tài)H3K9甲基化識(shí)別能力及其在異染色質(zhì)調(diào)控功能方面與動(dòng)物HP1的相似性暗示其可能同樣具備介導(dǎo)異染色質(zhì)相分離能力。相分離現(xiàn)象是生物體內(nèi)觀察到的一類(lèi)重要的生物物理現(xiàn)象，在諸多重要的生物學(xué)事件中發(fā)揮著重要調(diào)控功能，是當(dāng)前生命科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要理論突破。多價(jià)態(tài)識(shí)別是相分離發(fā)生的重要物理化學(xué)基礎(chǔ)，由于帶有修飾的核小體念珠串是天然的多價(jià)態(tài)分子，而組蛋白修飾閱讀器也可以以高價(jià)態(tài)的狀態(tài)存在，因此染色質(zhì)很可能在體內(nèi)發(fā)生相分離的現(xiàn)象。近期在果蠅細(xì)胞和哺乳細(xì)胞中都有觀測(cè)到異染色質(zhì)發(fā)生相分離的現(xiàn)象，而HP1這一蛋白在該過(guò)程中發(fā)揮了重要的支架成核作用 (Larson et al., Nature, 2017; Strom et al., Nature, 2017)。在本工作中，研究人員發(fā)現(xiàn)ADCP1具有內(nèi)在自分相能力，并且通過(guò)構(gòu)建具有H3K9甲基化修飾的多聚核小體串，證實(shí)了ADCP1以H3K9甲基化依賴(lài)的方式介導(dǎo)多聚核小體串相分離的能力（圖3）。進(jìn)一步，研究人員還證明這種H3K9甲基化依賴(lài)的相分離發(fā)生可以被H3S10ph修飾破壞，提示了一種異染色質(zhì)分相的“二元開(kāi)關(guān)”負(fù)調(diào)控機(jī)制。
圖3，ADCP1介導(dǎo)H3K9甲基化多聚核小體串相分離
總體而言，雖然序列不同源，植物ADCP1表現(xiàn)出諸多與動(dòng)物HP1的功能同源之處：1）同屬于“皇室家族”結(jié)構(gòu)域成員；2）特異識(shí)別H3K9me修飾而不識(shí)別H3K27me3修飾；3）H3S10ph都會(huì)破壞與H3K9me的結(jié)合；4）都通過(guò)“芳香籠”實(shí)現(xiàn)對(duì)賴(lài)氨酸甲基化的識(shí)別；5）均具備多價(jià)態(tài)識(shí)別依賴(lài)的異染色質(zhì)分相能力；6）均可靶向組成型異染色質(zhì)并介導(dǎo)轉(zhuǎn)座子沉默。因此，本研究認(rèn)為ADCP1發(fā)揮了多年來(lái)一直未被發(fā)現(xiàn)的植物HP1的功能，對(duì)植物異染色質(zhì)形成和維持發(fā)揮著重要調(diào)控作用?？紤]到ADCP1及其同源蛋白在植物中的高度保守性，本工作為ADCP1及其同源蛋白在其他植物，尤其是轉(zhuǎn)座子元件比例更高的水稻、玉米等戰(zhàn)略經(jīng)濟(jì)作物的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究提供新的切入點(diǎn)和方向。
清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院李海濤教授與生科院孫前文研究員、李丕龍研究員為本文的共同通訊作者。清華大學(xué)趙帥博士及博士生程玲玲、郜一飛、張柏超為本文共同第一作者。李海濤課題負(fù)責(zé)完成了ADCP1的鑒定與分子機(jī)制解析工作，孫前文課題組負(fù)責(zé)完成了植物功能實(shí)驗(yàn)，李丕龍課題組主導(dǎo)完成了相分離實(shí)驗(yàn)。清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士后鄭向東及博士生王亮在相分離實(shí)驗(yàn)部分做出重要貢獻(xiàn)。本課題得到科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、清華-北京生命聯(lián)合中心、北京市結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心和清華大學(xué)自主科研基金的經(jīng)費(fèi)支持。數(shù)據(jù)收集與儀器設(shè)備得到上海同步輻射光源與“鳳凰工程”北京蛋白質(zhì)基礎(chǔ)設(shè)施的大力支持與協(xié)助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41422-018-0104-9
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