Nature：清华大学陈柱成/李雪明团队揭示NuA4选择性乙酰化组蛋白H4的机理

来源：生物世界 2022-10-07 13:08

清华大学生命科学学院陈柱成教授与李雪明副教授合作，在

清华大学生命科学学院陈柱成教授与李雪明副教授合作，在 Nature 期刊在线发表题为：Structure of the NuA4 acetyltransferase complex bound to the nucleosome（酿酒酵母NuA4乙酰转移酶复合物结合核小体的结构）的研究论文。

该研究揭示了乙酰转移酶NuA4结合核小体以及组蛋白H4空间识别的机理，阐明了NuA4作为转录共激活因子发挥功能的结构基础。

生物体遗传信息DNA缠绕组蛋白八聚体1.7圈形成了染色体的基本组成单位——核小体。组蛋白H4的 N端尾巴与临近的核小体相互作用，促进染色体高级结构的形成以及异染色质沉默。核小体组装和异染色质形成阻碍了DNA的复制、转录以及损伤修复等重要生物学过程。

生物体进化出了一系列的机制来克服核小体的阻碍。其中，组蛋白乙酰化修饰中和赖氨酸侧链的正电荷，并招募其他染色质因子，进而调控染色质折叠、基因转录以及DNA损伤修复等过程。

NuA4和SAGA是酿酒酵母两个重要的乙酰转移酶复合物，分别选择性地乙酰化组蛋白H4和H3，调控基因转录。NuA4和SAGA在不同物种中高度保守，前者是酵母生存唯一必需的乙酰转移酶。作为转录共激活因子，二者通过共同亚基Tra1，结合转录因子，被招募至启动子区（图1a）。因为有基础性作用，NuA4自发现至今20多年被不断研究，但其结构研究历史相当曲折，目前尚不清楚精细的分子组装模式以及识别底物核小体的机理。

图1 NuA4的工作模式图及结合核小体的结构。（a）NuA4与SAGA协同作用促进基因转录的工作模式图；（b）NuA4结合核小体的示意图；（c）NuA4-NCP复合物的电镜密度图。（d）NuA4各亚基结构域组成示意图，颜色与电镜密度图中一致。

陈柱成课题组早期报道了NuA4活性中心Piccolo亚复合物的晶体结构及其结合核小体的低分辨率冷冻电镜结构。在此基础上，研究团队继续向着NuA4全酶的结构解析进击。然而，研究人员发现NuA4复合物的结构可塑性非常大，其活性中心结合核小体的部分无法得到稳定构象。这造成高质量结构解析的关键技术难点。

为了限制复合物结构的柔性，研究团队在样品中加入了转录因子Gal4-VP16，并在核小体接头 DNA引入相应的识别DNA序列，作为上游激活信号（UAS）。而且，研究团队对组蛋白H4K16位点进行CMC（carboxymethyl coenzyme A）化学修饰以及H3K36位点进行三甲基化修饰。CMC结合NuA4的催化中心Esa1，稳定Esa1与核小体的作用；H3K36则结合Eaf3亚基。在突破各种技术难题后，最终解析了NuA4结合核小体的冷冻电镜结构（8.8 Å），局部分辨率为2.7-3.4 Å。

由13个亚基组成的NuA4复合物分为两个大的模块（图1c, d）：乙酰化模块（histone acetyltransferase, HAT）以及转录因子结合模块（transcription activator-binding, TRA）。HAT模块即为piccolo亚复合物，由Esa1、Epl1的N端区域、Eaf6以及Yng2组成；TRA模块则由Tra1、Eaf1、Eaf2、Act1、Arp4以及Epl1的C端区域组成。Epl1的一段无序区把HAT模块与TRA模块连接在一起。另外，还存在一个“桥型”的结构柔性区。研究人员根据交联质谱推断这部分区域为Eaf3/5/7亚基。从这里可以看出NuA4复合物构造的高度可塑性。

该结构显示，携带UAS的linker DNA延伸向Tra1亚基的特定表面（图2a, b）。有趣的是，研究人员发现该表面在不同物种中高度保守，且众多转录因子与Tra1的结合位点均位于该表面内。因此，该保守面被命名为转录因子结合面（transcription factor binding surface, ABS）。这个发现提供了NuA4被转录因子招募至启动子区域的结构基础。

在ABS外周，研究人员发现一个多碱性氨基酸界面（poly-basic surface, PBS）与核小体的linker DNA相互作用（图2c）。研究人员通过体外生化以及遗传学实验验证了PBS的对乙酰转移活性，以及调控酵母碳源代谢的重要性（图2d, e）。

图2：NuA4的 TRA模块结构和核小体识别机理。（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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