自然:清华大学陈筑成/李雪明团队揭示NuA4选择性乙酰化组蛋白H4的机制

来源：生物世界2022-10-07 1:08

清华大学生命科学学院陈柱成教授与李雪明副教授合作

清华大学生命科学学院陈筑成教授与李雪明副教授合作，在Nature journal在线发表了题为：NuA4乙酰转移酶复合物与核小体结合的结构(酿酒酵母NUA4乙酰转移酶复合物的核小体结构)的研究论文。

本研究揭示了乙酰转移酶NuA4结合核小体和组蛋白H4空间识别的机制，阐明了NuA4作为转录辅激活因子的结构基础。

生物体的遗传信息DNA环绕组蛋白八聚体1.7圈，形成染色体的基本单位核小体。组蛋白H4的N末端尾部与相邻的核小体相互作用，促进更高级染色体结构的形成和异染色质的沉默。核小体组装和异染色质形成阻碍了重要的生物学过程，如DNA复制、转录和损伤修复。

生物进化出一系列机制来克服核小体的障碍。其中组蛋白的乙酰化中和赖氨酸侧链的正电荷，招募其他染色质因子，从而调节染色质折叠、基因转录和DNA损伤修复。

NuA4和SAGA是酿酒酵母中两种重要的乙酰转移酶复合物，分别选择性乙酰化组蛋白H4和H3，并调节基因转录。NuA4和SAGA在不同物种中高度保守，前者是酵母存活所必需的唯一乙酰转移酶。作为转录辅激活剂，它们通过共同亚单位Tra1与转录因子结合被募集到启动子区域(图1a)。NuA4由于其基本功能，自发现以来的20多年间一直被持续研究，但其结构研究历史颇为曲折。目前，精细分子组装模式和识别底物核小体的机制尚不清楚。

NUA4的工作模式和核小体的结构。(a)a)nua 4和SAGA协同促进基因转录的工作模式图；(b)b)nua 4结合核小体的示意图；(c)c)nua 4-NCP复合材料的电子显微镜密度图。(d)d)nua 4各亚基结构域的组成图，颜色与电镜密度图一致。

诸宸-程研究组报道了NuA4活性中心Piccolo亚复合物的晶体结构及其核小体的低分辨率冷冻电镜结构。在此基础上，研究团队继续攻坚NuA4全酶的结构解析。然而，研究人员发现NuA4复合物的结构可塑性非常高，其活性中心的核小体结合部分无法获得稳定的构象。这是高质量结构分析的关键技术难点。

为了限制复杂结构的灵活性，研究小组在样品中加入了转录因子Gal4-VP16，并在核小体接头DNA中引入了相应的识别DNA序列作为上游激活信号(UAS)。此外，研究小组通过CMC(羧甲基辅酶a)对组蛋白H4K16位点进行化学修饰，并将H3K36位点三甲基化。与CMC NuA4的催化中心Esa1结合，稳定Esa1与核小体的相互作用；H3K36结合Eaf3亚单位。在突破了各种技术难题后，最终分析出NuA4结合核小体的冷冻电镜结构(8.8)，局部分辨率为2.7-3.4。

由13个亚基组成的NuA4复合物可分为两个大模块(图1c，d):乙酰化模块(hat)和转录因子结合模块(tra)。HAT模块是piccolo亚复合物，由Esa1、Epl1的n端区域、Eaf6和Yng2组成；TRA模块由Tra1、Eaf1、Eaf2、Act1、Arp4和Epl1的c端区组成。Epl1的无序区连接HAT模块和TRA模块。此外，还有一个桥式结构弹性区。根据交联质谱，研究人员得出结论，这个区域就是Eaf3/5/7亚基。这里可以看出NuA4复合体的结构是高度可塑性的。

该结构显示携带UAS的接头DNA延伸至Tra1亚基的特异性表面(图2a，b)。有趣的是，研究人员发现这个表面在不同物种中高度保守，许多转录因子和Tra1结合位点都位于这个表面。因此，这个保守的表面被命名为转录因子结合表面(ABS)。这一发现为NuA4被转录因子募集到启动子区提供了结构基础。

在ABS的外围，研究人员发现多碱性氨基酸界面(PBS)与核小体的接头DNA相互作用(图2c)。研究人员通过体外生化和遗传实验验证了PBS的乙酰基转移活性和调节酵母碳源代谢的重要性(图2d，e)。

图2:2:nua 4和的TRA模块结构

核小体识别机理。（a）TRA模块的结构模型；（b）转录因子结合表面（ABS）的保守性；（c）多碱性氨基酸结合表面（PBS）的结构细节；（d）酵母遗传学实验显示PBS对NuA4发挥功能的重要性；（e）体外乙酰转移酶活性实验显示PBS对NuA4乙酰化活性的重要性。 催化中心HAT模块通过两个关键元件识别核小体的特定位点，结合在核小体盘状结构表面。其中Epl1的 arginine anchor 识别核小体的酸性区， 一段 double function loop（DFL） 识别核小体的超螺旋1.5（SHL 1.5）位置处DNA的小沟（图3a, c, d）。该核小体识别模式使得Esa1的活性口袋恰好处在H4 的N端尾巴上方。这个结构在全酶水平支持了H4尾巴空间位置识别机制（图3b）。该机制区别于常见的基于氨基酸序列识别的组蛋白修饰酶工作机制。 综上所述，该研究揭示了NuA4通过多个结构元件，协调识别核小体的机理（图1b）。ABS通过转录因子，PBS直接结合接头DNA，招募核小体至TRA模块的边缘；在此构象下使得HAT模块通过DFL和arginine anchor识别核小体的表面位点，从而发挥选择性乙酰化H4的功能。TRA模块与HAT模块之间的可塑性，使得NuA4能够适应复杂的染色体环境中被不同转录因子招募。除了Eaf5亚基之外，其他亚基在人源TIP60复合物中均存在同源蛋白。因此，该研究对于理解TIP60复合物的组装及工作机制提供了很好的模型。 值得一提的是，该工作TRA模块的结构被另外三个单独的NuA4复合物的结构研究所验证（预印版，见延伸阅读）。 图3 NuA4 HAT模块识别核小体的机理。（a）HAT模块结合核小体的结构模型；（b）HAT模块通过空间位置识别H4的模式图；（c）Arginine anchor局部电镜密度图及其与酸性区相互作用结构细节；（d）多肽竞争性实验显示Arginine anchor对NuA4乙酰化活性的重要性。 清华大学生命科学学院陈柱成教授、李雪明副教授为论文共同通讯作者，清华大学生命科学学院2014级博士生瞿珂珂（已毕业）和2017级博士生陈康净（已毕业）、王皓为共同第一作者。

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