醫(yī)學(xué)院李海濤課題組《自然》發(fā)表合作論文揭示快速轉(zhuǎn)錄延伸標(biāo)志性組蛋白修飾
高等生物能夠在環(huán)境因素刺激下，快速誘導(dǎo)特定基因的表達(dá)，保證了炎癥反應(yīng)、熱休克應(yīng)激等諸多細(xì)胞過(guò)程的發(fā)生。以組蛋白修飾和DNA甲基化為代表的表觀(guān)機(jī)制是真核生物進(jìn)化出來(lái)的重要轉(zhuǎn)錄調(diào)控策略。那么在刺激誘導(dǎo)型轉(zhuǎn)錄過(guò)程中，是否存在標(biāo)志性表觀(guān)修飾參與其中并發(fā)揮著關(guān)鍵調(diào)控作用呢？
北京時(shí)間2020年7月30日，清華大學(xué)李海濤團(tuán)隊(duì)攜手美國(guó)威爾康奈爾醫(yī)學(xué)院Steven Josefowicz實(shí)驗(yàn)室、洛克菲勒大學(xué)C David Allis實(shí)驗(yàn)室等在《自然》雜志（《Nature》）正式發(fā)表題為“Histone H3.3 phosphorylation amplifies stimulation-induced transcription”（組蛋白H3.3磷酸化增強(qiáng)刺激誘導(dǎo)型轉(zhuǎn)錄） 的研究論文。研究團(tuán)隊(duì)利用內(nèi)毒素誘導(dǎo)的巨噬細(xì)胞炎性反應(yīng)模型，從生物化學(xué)、功能基因組學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)角度系統(tǒng)揭示了組蛋白變體H3.3第31位絲氨酸磷酸化（H3.3S31ph）在刺激誘導(dǎo)型快速轉(zhuǎn)錄延伸過(guò)程中標(biāo)志性調(diào)控作用。
組蛋白H3.3是一類(lèi)保守的“祖先級(jí)”組蛋白H3變體，是單細(xì)胞真核生物如酵母中的唯一組蛋白H3形式。與高等生物中復(fù)制依賴(lài)的組蛋白變體H3.1不同，組蛋白變體H3.3主要參與染色質(zhì)動(dòng)態(tài)活動(dòng)調(diào)控，在轉(zhuǎn)錄、DNA損傷修復(fù)和有絲分裂等過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。組蛋白變體H3.3 與“經(jīng)典”的組蛋白H3.1或H3.2的一個(gè)重要區(qū)別在于其氨基端第31位殘基為絲氨酸(Ser或S)， 而H3.1/2為丙氨酸(Ala或A)。這一氨基酸組成差異對(duì)于組蛋白H3.3的功能發(fā)揮有何意義是一個(gè)領(lǐng)域關(guān)注熱點(diǎn)。
2014年，李海濤團(tuán)隊(duì)與美國(guó)MD Anderson癌癥中心的石曉冰教授實(shí)驗(yàn)室曾在《自然》發(fā)表合作文章，首次發(fā)現(xiàn)抑癌因子ZMYND11是新型H3.3變體賴(lài)氨酸36三甲基化（H3.3K36me3）識(shí)別因子，并揭示其在抑制轉(zhuǎn)錄延伸過(guò)度活化方面的功能。在這一過(guò)程中，絲氨酸31因?yàn)槠溆袆e于丙氨酸31的氫鍵形成能力，貢獻(xiàn)了ZMYND11對(duì)H3.3的特異識(shí)別。H3.3的第31位絲氨酸還可以被磷酸化，然而H3.3S31ph的功能與生物物理機(jī)制還需要進(jìn)一步研究。
已知巨噬細(xì)胞被細(xì)菌脂多糖（LPS）刺激后，可以在數(shù)分鐘至一個(gè)小時(shí)內(nèi)，快速上調(diào)炎癥相關(guān)基因的表達(dá)。在本工作中，作者發(fā)現(xiàn)在LPS刺激后，巨噬細(xì)胞中組蛋白H3.3的S31和S28位點(diǎn)磷酸化修飾水平顯著上升，類(lèi)似現(xiàn)象在其他細(xì)胞類(lèi)型如DC細(xì)胞、NK細(xì)胞、B細(xì)胞和神經(jīng)細(xì)胞等的刺激響應(yīng)過(guò)程中保守存在。進(jìn)一步對(duì)巨噬細(xì)胞進(jìn)行RNA-seq和ChIP-seq分析，驚奇發(fā)現(xiàn)H3.3S31ph富集存在于LPS導(dǎo)基因的基因體（gene body）區(qū)，而H3S28ph則呈互補(bǔ)分布，主要存在于基因增強(qiáng)子、啟動(dòng)子、以及基因間區(qū)等區(qū)域。分別對(duì)ChIP-seq結(jié)果進(jìn)行獨(dú)立的peak calling和density rank order分析，作者發(fā)現(xiàn)H3.3S31ph修飾特異性地附著在刺激誘導(dǎo)表達(dá)型基因，而并非廣譜性地結(jié)合持續(xù)表達(dá)型基因。
那么什么上游激酶催化了H3.3S31磷酸化修飾呢？作者根據(jù)ChIP-seq結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)很多刺激轉(zhuǎn)錄的基因都是NF-kB信號(hào)通路的靶基因，并且受已知的H3.3S31激酶CHK1的干擾較小，據(jù)此作者猜測(cè)產(chǎn)生H3.3S31ph修飾的激酶可能是NF-kB信號(hào)通路中的關(guān)鍵激酶IKKa。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，IKKa會(huì)在細(xì)胞受到刺激后定位到H3.3S31ph靶基因附近；加入IKKa特異抑制劑或?qū)ζ溥M(jìn)行小RNA干擾敲降，會(huì)導(dǎo)致靶基因周?chē)鶫3.3S31ph水平的顯著降低，表明IKKa是該過(guò)程中產(chǎn)生H3.3S31ph修飾的激酶。
同時(shí)，作者發(fā)現(xiàn)H3K36me3而非H3K36me2修飾在刺激誘導(dǎo)型基因上的定位與H3.3S31ph高度重合，且同步上調(diào)。在高等動(dòng)物中，只有SETD2甲基轉(zhuǎn)移酶能夠完成H3K36位點(diǎn)的三甲基化， 而其他同源酶例如NSD2只能完成二甲基化。
李海濤團(tuán)隊(duì)曾在2016年在Genes Dev發(fā)文首次解析出SETD2結(jié)合組蛋白底物的復(fù)合物結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)分析表明，發(fā)現(xiàn)H3S31位點(diǎn)位于一個(gè)正電荷富集區(qū)，這對(duì)于結(jié)合帶有負(fù)電荷的H3.3S31ph修飾極為有利。通過(guò)體外酶活實(shí)驗(yàn)，作者發(fā)現(xiàn)H3.3S31的磷酸化修飾能夠提高SETD2的甲基轉(zhuǎn)移活力，對(duì)NSD2則沒(méi)有促進(jìn)作用。進(jìn)一步的復(fù)合物結(jié)構(gòu)解析證明H3.3S31ph的磷酸基團(tuán)與SETD2的兩個(gè)堿性殘基K1600和K1673存在靜電吸引和水介導(dǎo)的氫鍵作用，進(jìn)而揭示了H3.3S31ph促進(jìn)SETD2酶活的分子基礎(chǔ)。有意思的是，序列分析表明K1600和K1673殘基只在SETD2中存在且相當(dāng)保守，而在NSD2等其他酶中則被替換為酸性或極性氨基酸，這也就完美解釋了為什么H3.3S31ph不能促進(jìn)與NSD2直接相關(guān)的組蛋白H3.3K36me2的修飾水平。
綜上所述，生化與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)共同揭示出一種H3.3S31ph順式激活H3.3K36me3酶促產(chǎn)生的組蛋白修飾交叉會(huì)話(huà)機(jī)制。
已知腫瘤抑制因子ZMYND11能夠特異性地識(shí)別H3.3K36me3修飾，抑制轉(zhuǎn)錄延伸的過(guò)度活化。在本文中，作者通過(guò)結(jié)合結(jié)構(gòu)分析、ITC滴定、以及ZMYND11的ChIP-seq分析，發(fā)現(xiàn)H3.3S31位點(diǎn)產(chǎn)生磷酸化后會(huì)因?yàn)轶w積排斥效應(yīng)，“踢走”原本結(jié)合的ZMYND11，從而解除轉(zhuǎn)錄延伸共抑制子ZMYND11的抑制效應(yīng)，促進(jìn)了H3.3S31ph靶基因的活躍轉(zhuǎn)錄。本部分工作揭示出了一種H3.3S31ph對(duì)于H3.3K36me3修飾識(shí)別的二元開(kāi)關(guān)（binary switch）調(diào)控機(jī)制。
總而言之，該研究對(duì)刺激誘導(dǎo)型基因的轉(zhuǎn)錄延伸機(jī)制從表觀(guān)遺傳層面進(jìn)行了解析。刺激誘導(dǎo)產(chǎn)生的組蛋白H3.3S31ph修飾富集在基因體區(qū)，一方面促進(jìn)了組蛋白H3.3K36me3修飾“書(shū)寫(xiě)器”（writer）SETD2的甲基轉(zhuǎn)移酶活性，促進(jìn)了轉(zhuǎn)錄延伸；另一方面拮抗了組蛋白H3.3K36me3修飾“閱讀器”（reader）ZMYND11的結(jié)合，解除了其轉(zhuǎn)錄延伸共抑制。上述表觀(guān)遺傳機(jī)制使得細(xì)胞能夠更好地響應(yīng)與適應(yīng)環(huán)境刺激，保證了刺激誘導(dǎo)型基因的快速表達(dá)。快速響應(yīng)外界刺激并啟動(dòng)特定基因轉(zhuǎn)錄與多種細(xì)胞反應(yīng)和疾病相關(guān)，本研究發(fā)現(xiàn)組蛋白H3.3S31磷酸化是開(kāi)啟特異性轉(zhuǎn)錄延伸激活的關(guān)鍵，為相關(guān)疾病治療提供了新視角和新靶點(diǎn)。
清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院李海濤教授與美國(guó)康奈爾醫(yī)學(xué)院Steven Josefowicz助理教授是本論文的共同通訊作者。洛克菲勒大學(xué)C David Allis教授實(shí)驗(yàn)室博士后Anja Armache博士和李海濤教授實(shí)驗(yàn)室已畢業(yè)研究生楊爽博士為本論文共同第一作者，李海濤教授實(shí)驗(yàn)室岳媛博士參加了本項(xiàng)工作。本項(xiàng)目得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科技部重大研究計(jì)劃、北京結(jié)構(gòu)生物學(xué)高精尖創(chuàng)新中心、北京生物結(jié)構(gòu)前沿研究中心、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心以及上海同步輻射光源的支持。
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https://doi.org/10.1038/s41586-020-2533-0
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