撰文 | 陳哲 博士
責編 | 酶美
真核細胞的DNA包裝在染色質中，以核小體為重複單元。每個核小體由H2A、H2B、H3、H4組成的組蛋白八聚體及在其上纏繞約145-147 bp DNA構成。組蛋白的尾部伸出核小體，存在很多翻譯後修飾，這些修飾對於轉錄、複製、DNA損傷修復等涉及染色質的生物學過程均有調控作用。為了對這些過程進行精細調控，組蛋白修飾之間以及組蛋白修飾與其它組蛋白修飾酶之間存在著複雜的cross-talk【1,2】。
多梳抑制複合體（Polycomb repressive complexes，PRC）於40多年前在黑腹果蠅的研究中首先被鑑定出來，在早期胚胎髮育過程中它能夠抑制同源異形（Hox）基因的表達【3】。PRC1是一個E3泛素連線酶，催化H2AK119位點的單泛素化修飾。由於輔因子的不同，PRC2有兩種主要變體，分別為包含JARID2和AEBP2的PRC2.2和包含PHF1、MTF2、PHF19或EPOP或PALI1的PRC2.1。PRC2核心由EZH2、EED、SUZ12、RBAP46/RBAP48構成，催化H3K27位點的單、雙、三甲基化【4】。多梳異染色質結構域的建立需要PRC1和PRC2間複雜的cross-talk，H2AK119ub1的缺失會導致相應位點H3K27me3的減少，PRC2.2能夠識別H2AK119ub1，但具體細節目前並不清楚。此外，PRC2.2還能定位於同時含有H3K4me3和H3K27me3的二價區域，PRC2如何在啟用marker存在下保持甲基轉移酶活性目前也不清楚。
Dot1（Disruptor of telomeric silencing-1）催化酵母H3K79位點的單、雙、三甲基化，與轉錄啟用相關，其哺乳動物中的同源蛋白Dot1L對於胚胎髮育、造血功能以及心臟功能是必須的【5】。H2BK123位點的單泛素化對於Dot1高效催化H3K79二甲基化和三甲基化是必須的，最近的結構研究揭示了H2BK120ub1啟用Dot1L酶活性的作用機制。此外，Dot1的酶活性還受到組蛋白乙醯化修飾的影響，啟用或抑制組蛋白去乙醯化酶都能夠影響H3K79的甲基化水平，但是組蛋白乙醯化調控Dot1酶活性的機制目前並不清楚。
2021年1月22日，美國加利福尼亞大學Eva Nogales教授團隊和紐約大學醫學院Karim-Jean Armache教授團隊發表在Science上的兩項工作，透過冷凍電鏡結構解析和生化實驗驗證，分別回答了這兩個問題。
Eva Nogales教授團隊的工作JARID2 and AEBP2 regulate PRC2 in the presence of H2AK119ub1 and other histone modifications，透過解析包含AEBP2和JARID2的PRC2複合體與H2AK119ub1修飾的核小體的冷凍電鏡結構，他們發現JARID2識別H2AK119位點上的泛素與保守的H2A-H2B酸性patch；AEBP2識別H2AK119位點上的泛素與H2A-H2B另一側的表面。這項為PRC2複合體結合核小體提供了除EZH2與核小體DNA及H3尾巴相互作用以外的另外兩個錨定位點。從而證實輔因子JARID2和AEBP2透過識別H2AK119ub1修飾能夠起到募集和啟用PRC2的作用。此外，透過酶活實驗和解析包含AEBP2和JARID2的PRC2複合體與H3K4me3修飾的核小體的冷凍電鏡結構，發現PRC2複合體與H3K4me3修飾的核小體的相互作用與H2AK119ub1修飾的核小體沒有明顯區別，但是H3K4me3修飾的核小體的H3尾部不能穩定定位在EZH2的活性中心，因此PRC2在含有啟用修飾marker的核小體上酶活性被減弱。
Karim-Jean Armache教授團隊的工作Regulation of the Dot1 histone H3K79 methyltransferase by histone H4K16 acetylation，首先透過酶活實驗證明H4 N端的乙醯化修飾中只有H4K16ac能夠啟用Dot1的甲基轉移酶活性，然後解析了Dot1與H4K16ac、H2BK123ub1修飾的核小體相互作用的冷凍電鏡結構以及Dot1與僅H2BK123ub1修飾的核小體相互作用的冷凍電鏡結構，透過比較發現H4K16ac能夠穩定Dot1活性中心附近的區域性構象，從而啟用Dot1的酶活性。此外，闡明瞭酵母Dot1與H2BK123ub1以及H2A-H2B酸性patch的相互作用。
根據實驗結果，他們進而提出Dot1酶活性cross-talk調控的模型：H2A-H2B酸性patch和H4提供基本錨定，這足以使Dot1具有H3K79單甲基化酶活性；H4K16ac和H2BK123ub1提供關鍵調節性錨定，使得Dot1能夠具有H3K79雙甲基化和三甲基化酶活性；同時具有H4K16ac和H2BK123ub1修飾的核小體能夠給Dot1提供最好的錨定，使其具有最優的催化構象和最高的H3K79三甲基化酶活性。
染色質狀態的調控是精細的，這就需要多種翻譯後修飾與酶之間的互相調控。例如H3K4me3對PRC2酶活性的抑制，從而阻止染色質抑制狀態的延伸，維持二價狀態；H4乙醯化初步開啟染色質結構，然後透過H4K16ac和H2BK123ub1修飾啟用Dot1 H3K79三甲基化酶活性，從而進一步開啟和維持染色質的開放狀態。早年的生化研究發現了很多典型的組蛋白修飾cross-talk，但是都缺乏細節機制，結構生物學的進步使得我們能夠直觀的觀察組蛋白修飾對酶構象和活性的影響，從而更深入的瞭解染色質的動態調控。
原文連結：
1. https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abc3393
2. https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abc6663
參考文獻
1. Suganuma, T. & Workman, J. L. Crosstalk among Histone Modifications. Cell 135, 604-607, doi:10.1016/j.cell.2008.10.036 (2008).
2. Lee, J. S., Smith, E. & Shilatifard, A. The language of histone crosstalk. Cell 142, 682-685, doi:10.1016/j.cell.2010.08.011 (2010).
3. Lewis, E. B. A gene complex controlling segmentation in Drosophila. Nature 276, 565-570, doi:10.1038/276565a0 (1978).
4. Di Croce, L. & Helin, K. Transcriptional regulation by Polycomb group proteins. Nature structural & molecular biology 20, 1147-1155, doi:10.1038/nsmb.2669 (2013).
5. Nguyen, A. T. & Zhang, Y. The diverse functions of Dot1 and H3K79 methylation. Genes & development 25, 1345-1358, doi:10.1101/gad.2057811 (2011).