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基于Cryo-EM的Bre1与核小体复合物结构解析揭示H2B泛素化分子机制

2023-11-24


组蛋白翻译后修饰在调控真核基因表达中起着核心作用。其中,组蛋白H2B的赖氨酸K123(酵母)或K120(人)的单体泛素化(H2B-Ub)是活跃转录基因的一个重要标志。H2B-Ub能刺激组蛋白H3的甲基化,并招募染色质转录促进因子(FACT)以提高RNA聚合酶的转录过程性。然而,这一关键过程的分子机制,尤其是E3泛素连接酶如何实现对H2B泛素化位点的专一性识别,至今不明。

今天和大家分享一篇Nature Structural & Molecular Biology杂志发表的研究报告,研究者利用冷冻电镜技术(Cryo-EM)在近原子(3-4Å)分辨率下获得了酵母Bre1泛素E3连接酶二聚体与核小体的复合物结构(图1)。Bre1能够通过E2泛素结合酶Rad6特异性地使H2B-K123泛素化。人源高度同源的RNF20/RNF40二聚体也能使H2B-K120泛素化。研究发现Bre1-核小体复合物存在三种不同状态。在每种状态下,一个Bre1单体得到较好解析,而另一个单体由于结合较松散而解析度较低。基于Bre1的已知晶体结构,研究人员成功地建立了其二聚体与核小体的复合物模型。

图1. (a)Bre1结合到核小体的Cryo-EM密度图(状态1)。(b)Bre1和核小体(状态1)之间的界面视图。组蛋白八聚体以电荷密度表现(红色,负电;蓝色,正电)。(c)Bre1-A(状态1)与核小体酸性斑块之间的界面在EM图上的叠加。(d)Bre1-B与DNA的接触(状态1)。Bre1-B的R679和R681到DNA骨架的距离分别为3.4 Å和4.3 Å。(e,f)Bre1在三个状态中位置的俯视图(e)和侧视图(f);在状态3中,Bre1-B的R681到DNA骨架的距离为2.9 Å。

值得注意的是,虽然该酶采用了Bre1-Bre1-Rad6的聚合蛋白设计以增强相互作用,但在获得的Cryo-EM密度图中并未观察到对应的Rad6密度,这主要是由于Rad6与Bre1 RING结构域的弱相互作用所致,考虑到这一已知的结合模式,该结果并不令人意外。但是,这种聚合物的酶活性比分离的Bre1和Rad6组分更高,说明这种连接并不干扰酶的功能。

研究发现,Bre1二聚体以“跨跨坐”的形式位于核小体表面,其中一个RING结构域(Bre1-A)与核小体的酸性区相互作用,而另一个(Bre1-B)则与超螺旋位置6.5的DNA发生作用。Bre1-A RING所采用的与核小体酸性区结合模式,即通过两个精确定位的精氨酸残基R679和R681形成盐桥,在多个复合物中均有观察到,被称为“精确定位螺旋”。而Bre1-B RING结构域相对DNA的位置在三种状态间变化较大(图1d-f),这主要是Bre1二聚化螺旋区域发生反转导致的。

研究人员进一步根据Bre1同源泛素连接酶蛋白Ubr1的结构,模建了Bre1-A向Rad6提供定向作用的模型(图2)。结果显示,在不同状态下,Rad6-泛素铰链体与H2B-K120赖氨酸之间的距离不同。状态3中对应的距离最小,有利于泛素转移至H2B-K120进行修饰反应(图2b)。而状态1和2下,Rad6采取更远的“准备态”(图2c-e)。这说明Bre1可以使Rad6-泛素处于主动态和准备态的轮换,以调控酶活性。

图2. (a)通过将Bre1 RING结构与Ubr1 RING-Rad6-泛素(PDB:7MEX)通过RING结构进行叠加,对Bre1–核小体状态3中Rad6的位置进行建模。(b)对建模的Rad6活性位点C88、泛素G76和H2B-K120进行放大视图。这里显示了与Rad6 C88和泛素 G76距离最短的H2B-K120的转构体。(c-e)Ring1b-Bmi1(PDB:4R8P)(c)BRCA1-BARD1(PDB:7JZV)(d)和Bre1二聚体与核小体结合的结构(e)。组蛋白八聚体以电荷密度表现。

最后研究人员将其与其它靶向H2A位点的E3泛素连接酶的作用模式进行了比较(图2c-e)。这些酶的第一个RING结构域均通过与核小体酸性区的相互作用招募E2酶;而第二个RING结构域与核小体组蛋白核心区形成不同的相互作用,从而实现对不同substrate的专一性认识。这提示了组蛋白泛素化反应中E3连接酶位点专一性的一般调控机制。

本研究结果揭示了Bre1调控H2B-K123泛素化反应的关键机制,拓宽了我们对染色质修饰及转录调控过程的认识。其对人源同源物RNF20/40的分析,也为后续研究H2B泛素化异常与疾病的内在联系提供了理论基础。