Nature：MLL家族蛋白甲基转移酶活性调节的分子机制

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作者：   来源：生物通   发布者：亦云   日期：2016-02-19   5 t2 ?; C/ [. j) q6 i7 w  r
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来自中科院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所、中科院大连化学物理研究所、上海交大医学院等机构的研究人员，在新研究中揭示出了MLL家族甲基转移酶的活性调控机制。这项重要的研究发布在2月17日的《自然》（Nature）杂志上。" j  v3 R1 v9 p  T- P7 ]
上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所的雷鸣（Ming Lei）研究员、陈勇（Yong Chen）研究员，及大连化学物理研究所的李国辉（Guohui Li）研究员是这篇论文的共同通讯作者。0 d$ e4 q2 X# h0 J
作为一种重要的表观遗传调控机制，组蛋白甲基化修饰在多种生命过程中发挥了重要的作用。细胞内有多种甲基化酶和去甲基化酶共同调节组蛋白的修饰状态，在组蛋白甲基化状态确定后，多种效应分子特异地读取修饰信息，从而参与基因转录调控过程。9 {' y& P; p; Q, A4 r+ C4 X9 u
近年来，人们逐渐鉴定出了一系列组蛋白甲基化修饰位点。组蛋白的甲基化修饰主要发生在赖氨酸（K）和精氨酸（R）残基上。赖氨酸甲基化修饰通常发生在组蛋白H3赖氨酸4位、9位、27位、36位、79位残基（H3K4、H3K9、H3K27、H3K36、H3K79）以及组蛋白H420位赖氨酸残基（H4K20）上。H3K4甲基化通常被认为是基因的活化信号，主要分布在常染色质区转录活化基因的启动子区，在转录起始和延伸过程中都发挥了重要的作用。H3K4甲基化参与的生物学功能主要包括基因转录调控，与组蛋白乙酰化酶、去乙酰化酶相互作用，以及改变邻近组蛋白甲基化修饰状态。
, G5 ^/ i$ ~2 W, T9 W( i3 XH3K4甲基化主要是由MLL家族组蛋白赖氨酸甲基转移酶(HKMTs)所介导。哺乳动物MLL家族HKMTs包括6个成员：MLL1–MLL4、SET1A 和SET1B，每一个都在细胞中发挥至关重要而非冗余的作用，在转录水平上调控了与造血作用和发育相关的一些基因。研究结果表明，MLL1蛋白自身的甲基转移酶活性很低，需与WDR5、RBBP5、ASH2L形成复合物后才具有较高的甲基转移酶活性。并且后三者是所有MLL家族复合物的共同核心元件。但当前对于这些因子调控MLL蛋白活性的分子机制仍不是很清楚。
& \. {7 _& u( Q* h' ~4 D9 o  L4 o6 U" M在这篇Nature文章中研究人员证实，最小化的RBBP5–ASH2L异二聚体作为一个结构单位，与所有MLL家族组蛋白甲基转移酶发生互作并激活了它们。他们通过结构、生化及计算分析揭示出了MLL家族蛋白的两步激活机制。这些研究结果前所未有地深入阐明了复合物组装的共同点与功能变化及MLL家族甲基转移酶的活性调控，并提出了一个适用于大多数组蛋白甲基转移酶的通用调控机制。
! e) g  y) g0 z* q+ y2 K近年，中国的科学家们在组蛋白甲基化相关研究中取得了不少突破性的成果。来自复旦大学、中国科学院等机构的研究人员在新研究中揭示出了，从头甲基化转移酶DNMT3A自抑制以及组蛋白H3诱导DNMT3A激活的机制（复旦大学发表Nature表观遗传学新文章）。研究结果发表在Nature杂志上。来自天津医科大学、哈佛医学院的研究人员在PNAS杂志上证实，Ezh2通过组蛋白甲基转移酶活性调控了自然杀伤细胞（NK细胞）的分化和功能（天津医科大学PNAS发布表观遗传新发现 ）。还有来自中山大学生命科学学院、Baylor医学院的研究人员证实，在DNA低甲基化时Daxx/Atrx复合物通过促进H3K9三甲基化（H3K9me3）保护了串联重复元件（Tandem Repetitive Elements）。这一重要的研究发现发布在Cell stem Cell杂志上）。
( g+ x) K- H" d6 u- c: h: i- E6 U（生物通：何嫱）1 u: q8 [: Q0 Z. b8 M
　　国际学术期刊《自然》（Nature）于2月18日以Article的形式在线发表了中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所国家蛋白质科学中心（上海）雷鸣、陈勇研究组和中国科学院大连化学物理研究所李国辉研究组的最新合作研究成果“Structural basis for activity regulation of MLL family methyltransferases”，揭示了组蛋白甲基转移酶MLL家族蛋白活性调控的结构基础。
- x% b# U, R( M0 ~7 H% t( H　　以基因组DNA和组蛋白的共价修饰为主要标志的表观遗传调控研究已成为生命科学前沿快速发展的热点领域，其中组蛋白甲基化对于基因的转录表达，细胞增殖分化等起着至关重要的调控作用，相关甲基化酶基因的突变会异常会导致多种遗传疾病和癌症。组蛋白H3第4位赖氨酸的甲基转移酶MLL1就因为其基因易位重排所引起的混合系白血病(Mixed Lineage Leukemia)而得名，与造血功能密切相关。MLL家族蛋白（MLL1/2/3/4，SET1A/B）是一类特异性针对H3K4的甲基转移酶，其甲基转移酶活性依赖于C末端的一个保守的SET结构域。前人实验发现，MLL家族蛋白与其他具有SET结构域的甲基转移酶不同，它行使功能需要多个辅助蛋白WDR5,RBBP5, ASH2L组成复合体才能有效的完成甲基化修饰过程。由于缺乏原子分辨率的结构，整个复合物如何有效的实现甲基化修饰一直处于争论之中，MLL家族蛋白是否采用了相同或者不同的活性调控机制也是不得而知。
* z  E0 Z" y, d( V4 T　　在本研究中，黎彦璟及其同事在陈勇研究员和雷鸣研究员的指导下，成功解析了MLL家族蛋白中一系列蛋白单体及蛋白复合物的结构，包括两种MLL家族蛋白（MLL1突变体和MLL3）的SET结构域在apo状态下，与RBBP5-ASH2L形成三元复合物状态下，以及与底物结合形成活性复合物状态下的晶体结构。他们发现除了MLL1以外，其他MLL家族蛋白的激活并不依赖于WDR5，RBBP5-ASH2L的异源二聚复合物就能完全激活MLL2/3/4和SET1A/B蛋白。进一步研究揭示了RBBP5-ASH2L异源二聚体是结合和激活MLL家族蛋白的最小结构单元，并且所有的MLL家族蛋白通过一个保守的结合模式和RBBP5-ASH2L相互作用。结构比对发现，RBBP5-ASH2L并没有引起显著的MLL SET结构域晶体结构变化，而是限制了MLL中一个相对柔性的SET-I模块的运动。NMR和分子动力学计算模拟也证实了MLL蛋白溶液结构是高度动态变化的，加入RBBP5-ASH2L能够显著的使其结构固定在一种活性构象，这种活性构象有利于底物和辅因子的结合，从而增强了MLL的甲基转移酶活性。在此基础上，进一步和底物H3的结合引起了一段loop的构象变化从而诱导MLL形成一个完全的活性构象。上述成果为深入了解MLL家族组蛋白甲基转移酶在复合物正确组装、活性精确调控等方面提供了坚实的结构基础。 4 }& ^# i: R3 J2 j; e1 s0 \
　　陈勇组四年级研究生黎彦璟是本文的第一作者，中科院上海生科院生化与细胞所国家蛋白质科学中心（上海）雷鸣研究员、陈勇研究员和中科院大连化物所李国辉研究员是本文的共同通讯作者。参与该研究的合作单位和人员包括密歇根大学Yali Dou教授、上海交通大学医学院张健教授、中国科学技术大学田长麟教授和中科院上海生命科学信息中心李党生研究员。该研究工作受到中科院战略性先导科技专项（B类），国家科技部，国家科技重大专项，国家自然科学基金委以及上海市科委基础研究项目的经费资助。( Q3 t% y" N  I