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基因組DNA纏繞在組蛋白八聚體（H2A, H2B, H3和 H4）上形成核小體，核小體再進一步逐級摺疊壓縮組裝成染色質。組蛋白賴氨酸甲基轉移酶透過催化轉移甲基基團到組蛋白H3和H4末端特定的賴氨酸側鏈上，形成組蛋白甲基化標記，從而影響基因轉錄、DNA複製和DNA修復等過程，對維持染色質穩定和基因表達調控具有重要作用。組蛋白甲基轉移酶已被報道和多種癌症、疾病等發生密切相關，它們被作為治療靶點的潛力無限。目前已知EZH2/EED（H3K27甲基轉移酶）和DOT1L（H3K79甲基轉移酶）的抑制劑已經進入臨床試驗階段。

NSD家族蛋白是組蛋白H3第36位賴氨酸（H3K36）特異的甲基轉移酶，有NSD1、NSD2 (MMSET/WHSC1) 和NSD3 (WHSC1L1) 三個成員。它們雖序列上同源，但功能上並不冗餘，NSD1或NSD2基因敲除均會導致小鼠死亡。NSD家族蛋白過表達或者突變與多種癌症發生密切相關。例如，第二常見的血癌--多發性骨髓瘤（MM），是影響著全世界成千上萬病人以及病人家庭的惡性血液腫瘤。在多發性骨髓瘤病人中，有15-20%是由於NSD2的異常過表達所導致。急性淋巴細胞白血病（ALL）是兒科中被診斷出最常見的癌症，然而大約有10%的小兒急性淋巴細胞白血病病人攜帶了NSD2蛋白E1099K突變；此外，5-10%套細胞淋巴瘤病人以及肺癌、結腸癌和甲狀腺癌等病人中也有發現NSD2(E1099K) 突變。NSD2(T1150A) 和NSD3(T1232A) 也是經常發生的致癌突變位點。NUP98–NSD1 融合蛋白與急性髓細胞白血病（AML）相關，NSD3也在乳腺癌、肺鱗狀細胞癌等癌症中異常過量表達。由此可見，NSD家族蛋白被認為是潛在的癌症靶向藥物治療靶點。已知NSD甲基轉移酶表現出一種自抑制狀態，其透過與核小體結合而解除自抑制，使組蛋白H3K36位點可以被二甲基化。然而，這一過程的分子機制尚不清楚。

2020年12月23日，南方科技大學研究團隊作為第一作者單位，攜手北京師範大學王佔新教授團隊、紀念斯隆-凱瑟琳癌症研究中心Dinshaw J. Patel教授團隊和斯坦福大學Or Gozani教授團隊在Nature雜誌線上發表了題為Molecular basis of nucleosomal H3K36 methylation by NSD methyltransferases（NSD家族甲基轉移酶甲基化核小體H3K36的分子機制）的研究論文。該研究首次報導了NSD2和NSD3蛋白分別與核小體複合物的高解析度冷凍電鏡結構，揭示了NSD家族蛋白特異性識別和甲基化組蛋白H3K36的分子機制，為針對NSD家族蛋白過量表達和突變等引起的多發性骨髓瘤、急性淋巴細胞白血病等靶向治療研究奠定了分子基礎。

該研究利用冷凍電鏡單顆粒技術，解析了NSD3、NSD3(E1181K/T1232A)致癌突變體和NSD2(E1099K/T1150A)致癌突變體分別與核小體結合複合物冷凍電鏡結構。研究人員發現，NSD2/NSD3與核小體的結合會導致核小體出口處連線區域 (linker region) DNA開啟，從而使NSD2/NSD3的催化結構域插入到開啟的DNA片段與組蛋白八聚體之間。NSD2/NSD3蛋白多個帶正電氨基酸與核小體SHL -7、SHL 0位置處DNA磷酸骨架相互作用，將NSD2/NSD3穩定在核小體上。與此同時，NSD2/NSD3與組蛋白H3的N端α螺旋、H2A的C末端有多個相互作用位點（如圖1）。研究人員根據NSD3與核小體複合物結構資訊設計了一系列突變體，發現NSD3蛋白的催化活性均不同程度降低。

圖1 NSD3(E1181K/T1232A)與核小體複合物冷凍電鏡結構電子密度圖。(a) 1:1結合狀態，(b) 2:1結合狀態。

值得一提的是，透過對比野生型NSD3核小體複合物結構與NSD2(E1099K/T1150A)與核小體的複合物、NSD3(E1181K/T1232A)與核小體複合物結構，研究人員發現，NSD2中著名的致癌突變位點E1099K，即帶負電氨基酸E1099突變成帶正電氨基酸K1099後，NSD2與核小體之間的靜電作用增強，從而導致了NSD2活性增強。而另一個致癌突變位點 NSD3(T1232A) [對應的NSD2(T1150A)]，當蘇氨酸T突變成丙氨酸A，導致H3尾部向A1232位點靠近，形成了一對新的氫鍵，使H3K36更容易進入催化口袋，從而導致酶活性增強。這些致癌突變不僅增強了體外催化活性，而且促進了癌細胞增殖以及異種移植瘤生長（如圖2）。

圖2 NSD2/3致癌突變位點與核小體之間的相互作用 (a-c)，NSD2/3致癌突變體促進癌細胞增殖和異種移植瘤生長 (d-e)。

綜上所述，該研究首次報導了NSD家族蛋白與核小體複合物的高解析度冷凍電鏡結構，結合生化分析揭示了NSD蛋白特異性識別並甲基化組蛋白H3K36位點的分子機制，同時闡明瞭NSD蛋白中重要的致癌突變位點活性增強的分子啟用機理。NSD家族蛋白的過表達以及突變均會導致癌症發生，因此，該項研究所揭示的分子機制為針對NSD家族蛋白相關的腫瘤疾病藥物設計和研發提供了重要價值線索。

據悉，南方科技大學高階研究學者李婉秋、北京師範大學已畢業博士生田偉和鄧譜涓以及斯坦福大學博士後袁剛為本論文共同第一作者，北京師範大學王佔新教授、紀念斯隆-凱瑟琳癌症研究中心Dinshaw J. Patel教授和斯坦福大學Or Gozani教授為本論文的共同通訊作者。值得一提的是，該論文是南方科技大學冷凍電鏡中心執行以來，第一篇以南科大為第一單位的CNS研究論文。

原文連結：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-03069-8