Nature | 清华大学李海涛/闫创业取得染色质去乙酰化动态修饰研究新突破

与上下文相关的动态组蛋白修饰是基因调控的关键表观遗传机制。Rpd3 小复合物(Rpd3S)能识别组蛋白H3在赖氨酸36上的三甲基化(H3K36me3)，并在转录区域的多个位点对组蛋白H3和H4进行去乙酰化。

2023年7月19日，清华大学李海涛及闫创业共同通讯在Nature 在线发表题为“Diverse modes of H3K36me3-guided nucleosomal deacetylation by Rpd3S”的研究论文，该研究解决了酿酒酵母Rpd3S在游离态和 H3K36me3核糖体结合态下的冷冻电镜结构。

该研究展示了一种独特的Rpd3S结构，其中Eaf3-Rco1异源二聚体的两个拷贝与Rpd3和Sin3不对称组装形成催化核心复合物。Eaf3、Sin3和Rco1对两个H3K36me3标记、核体DNA和连接体DNA的多价识别将Rpd3的催化中心定位在组蛋白H4 N端尾部附近进行去乙酰化。在另一种催化模式下，Rco1和Eaf3组合读取未甲基化的组蛋白H3赖氨酸4和H3K36me3，指导组蛋白H3特异性去乙酰化。总的来说，该项工作阐明了Rpd3S的多价核小体结合和甲基化引导的去乙酰化的动态和多样化模式，突出了转录和其他转录过程中精心设计的多亚基酶机制的表观遗传调控的复杂性。

动态组蛋白修饰及其串扰在基因调控中起关键作用。例如，组蛋白H3赖氨酸三甲基化(H3K4me3)和H3K36me3是区分转录起始位点和转录单位编码区域的标志。组蛋白甲基转移酶Set2可以通过延长RNA聚合酶II直接募集，并特异性甲基化H3K36。在酵母中，Rpd3S组蛋白去乙酰化酶(HDAC)复合物在编码区识别H3K36me3，并通过其去乙酰化酶活性抑制来自隐启动子的转录。因此，Set2-Rpd3S调控轴在H3K36甲基化和组蛋白去乙酰化之间建立了串扰，从而抑制异常转录。

Rpd3最初被认为是一种全局基因调控因子和协同抑制因子，1996年首次报道其作为HDAC发挥作用。这一发现，连同Gcn5作为第一个与转录相关的组蛋白乙酰转移酶的特性，建立了染色质生物学和表观遗传学的新范式。酵母Rpd3是一类HDAC家族成员，可与Sin3、me1、Rco1和Eaf3组装形成0.6-MDa的Rpd3S复合物。同时，Rpd3、Sin3和Ume1也可以与不同的因子组合，包括Pho23、Cit6和Ume6，在酵母中形成1.2-MDa的Rpd3 large (Rpd3L)复合物。Rpd3S和Rpd3L都有助于基因抑制，这取决于H3K36me3与H3K4me317的甲基化背景。

Rpd3S复合物通过Eaf3亚基(CHDEaf3)的色域(CHD)识别H3K36me3，并通过Rco1的植物同源盒结构域(PHD)手指跨编码区识别未修饰的组蛋白H3 N端尾部。组蛋白H3K36me3促进Rpd3S复合物对组蛋白H3和H4的去乙酰化酶活性，这与协调的亚基内相互作用和变构调节有关。此外，Rpd3S复合物在h3k36me3导向的去乙酰化中表现出双核小体的偏好，其为最佳连接体DNA长度。总的来说，这些生化特征表明Rpd3S与其修饰的核小体底物存在多价和动态作用，其结构基础有待深入研究。

Rpd3S复合物与H3K36me3核小体之间界面的细节（图源自Nature ）

该研究成功解析了酿酒酵母Rpd3S复合物在自由状态和H3K36me3核小体结合状态下的分子结构模型，并结合去乙酰化酶活分析以及酵母遗传学等功能实验，系统全面的对Rpd3S复合物的组装模式、底物识别催化和修饰介导调控等过程进行了分子机制解剖，揭示出甲基化指引的染色质去乙酰化动态和多样化模型。该研究为更好地理解真核生物物种中多功能的I类HDAC复合物奠定了框架，并为基于结构和机制的HDAC活性修饰药物的开发铺平了道路。

在此项研究中，清华大学医学院李海涛课题组博士后管海鹏和已毕业博士生王沛为并列第一作者。清华大学医学院2020级博士生张沛主要参与了本研究，上海交通大学医学院李兵教授、阮纯博士，以及郑州大学医学科学院郑向东特聘教授提供了专业指导和帮助。清华大学医学院李海涛教授和生命学院闫创业副教授为共同通讯作者。

该工作得到国家自然科学基金委、国家重点研发计划的资助。李海涛教授是清华-北大生命科学联合中心、北京生物结构前沿研究中心、分子肿瘤学全国重点实验室、教育部蛋白质科学重点实验室，以及山西医科大学-清华大学医学院前沿医学协同创新中心成员。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06349-1

转自：“iNature”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！