清華大學：“小尾巴”的新抓法-醫(yī)學院李海濤組揭示PHF14識別組蛋白H3新模式
組蛋白修飾是表觀遺傳調(diào)控重要機制，在復制、轉(zhuǎn)錄和修復等以染色質(zhì)為模板的細胞過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。參與組蛋白識別的因子被形象地稱作組蛋白“閱讀器”（reader）。自1999年美國西奈山醫(yī)學院的周明明（Ming-Ming Zhou）實驗室發(fā)現(xiàn)第一類組蛋白閱讀器—溴域（Bromodomain）以來，發(fā)現(xiàn)新型“組蛋白-閱讀器”識別對并探究其生物功能成為表觀遺傳學領(lǐng)域的一個研究熱點。
2021年9月7日，清華大學醫(yī)學院李海濤課題組于《Nucleic Acids Research》發(fā)表題為Molecular basis for bipartite recognition of histone H3 by the PZP domain of PHF14（PHF14的PZP結(jié)構(gòu)域二分法識別組蛋白H3的分子基礎(chǔ)）的研究論文，報道了PHF14（Plant homeodomain finger protein 14）蛋白作為一種新鑒定的組蛋白H3閱讀器，通過其PZP（PHD1-Znk-PHD2）結(jié)構(gòu)域，“二分法”識別組蛋白H3氨基端柔性尾巴1-34的獨特機制。該工作揭示了PZP結(jié)構(gòu)域家族新的組蛋白結(jié)合活性，并在分子水平上闡釋了PHF14的生物學功能和作用機理。
PHF14全長含有3-4個PHD鋅指結(jié)構(gòu)域。作為一類表觀調(diào)控因子，PHF14在胚胎發(fā)育，癌癥發(fā)生和組織穩(wěn)態(tài)維持等過程中均發(fā)揮著重要作用。例如，純合敲除PHF14的小鼠在出生幾個小時候就會因為呼吸衰歇而死亡，其肺部組織纖維化，其他組織器官組織發(fā)育異常1,2。PHF14負調(diào)控PDGFRα、p14AR、p16INK4a和p15INK4b等表達，進而調(diào)控細胞周期和癌癥發(fā)生過程1-8。盡管PHF14的生物學功能十分重要，但其分子功能，尤其是其PHD鋅指結(jié)構(gòu)域的組蛋白識別活力仍不清晰。
本研究通過結(jié)構(gòu)生物學、生物化學以及氫氘交換質(zhì)譜等手段，首次發(fā)現(xiàn)PHF14的PZP結(jié)構(gòu)域是一個超長組蛋白H3氨基端尾巴的高效閱讀器，結(jié)合常數(shù)約為200納摩爾。相比之下，位于PHF14的第三個和第四個PHD鋅指則不具備類似識別能力。PHF14PZP采用兩個截然不同表面實現(xiàn)對非修飾組蛋白H3(1-34)的分段識別，即采用“β1-insertion loop”表面去識別組蛋白H3的氨基端H3(1-9)；而用“α-ZP”面去識別組蛋白H3中間段H3（14-34）。有意思的是，研究發(fā)現(xiàn)PHF14PZP對組蛋白H3的氨基端和中間段的識別既可同時發(fā)生，又可相對獨立進行，打破其中一段的識別會導致結(jié)合力下降10倍至2微摩爾左右，相比于其它組蛋白識別事件，這仍是一種較強的結(jié)合。這種既同時發(fā)生又相對獨立的分段識別模式即“二分法”識別。
令人驚訝的是，該研究發(fā)現(xiàn)了一種全新的PHD 鋅指識別H3的模式。目前已知PHD鋅指結(jié)構(gòu)域識別配體的模式一共有四種，即β1面識別、β1-N面識別、β2面識別和α1面識別。本研究中PHF14PHD1識別H3的模式不屬于以上任何一種，是一種嶄新識別模式（圖1）。在經(jīng)典的β1面識別中，組蛋白H3與β1反向平行，K4順式伸向β2方向，而在PHF14PZP識別H3中，PHF14PZP特有的一個柔性插入環(huán)（insertion loop）了序列主導H3K4的識別。晶體結(jié)構(gòu)研究揭示H3K4反向插向該loop區(qū)，而非經(jīng)典的β1-β2核心口袋。值得注意的是，這個插入環(huán)在其它擁有類似組蛋白H3識別能力的旁系同源蛋白，諸如AF10、BRPF1、BHC80、BPTF和ING2等中均不存在，表明PHF14采用了一種特有的PHD鋅指分子設(shè)計來實現(xiàn)組蛋白識別功能。利用序列和結(jié)構(gòu)上并不保守的一段插入序列來“獲得”組蛋白識別能力，打破了人們對PHD鋅指識別H3K4結(jié)構(gòu)和機制保守性的認識。本工作也是自2006年首次發(fā)現(xiàn)PHD鋅指具備組蛋白H3K4識別功能以來，第一次揭示出PHD識別H3K4的趨異化結(jié)構(gòu)設(shè)計。這一方面為根據(jù)同源結(jié)構(gòu)域關(guān)鍵殘基保守性來預測潛在閱讀器組蛋白識別能力的策略提供了反例，另一方面提示了更多新型閱讀器有待被發(fā)現(xiàn)的可能，同時充分表明實驗科學的必要性和重要性。
另一個值得關(guān)注的地方是，PHF14的直系同源序列比對顯示，該插入環(huán)序列在從魚至人的物種中高度保守，但在果蠅和線蟲中并不保守，表明PHF14在進化至脊椎動物后才獲取了組蛋白閱讀器活性。該現(xiàn)象讓人聯(lián)想到CHD1蛋白，人源CHD1的double Chromo結(jié)構(gòu)域能夠識別H3K4me3，而同源的酵母CHD1則沒有識別H3K4me3活性，這可能與單細胞酵母不需要CHD1-H3K4me3識別來保證基因表達復雜度有關(guān)。對于PHF14的分子設(shè)計而言，無論是橫向旁系還是縱向直系同源進化，只有亟需組蛋白識別功能的PHF14家族才“后天獲得”了組蛋白識別功能，提示組蛋白閱讀器在功能需求和結(jié)構(gòu)支撐上存在協(xié)同進化。如此“精妙而人為”的分子進化設(shè)計與抗體利用可變區(qū)快速進化出抗原表位識別能力的過程相類似。分子識別，尤其是修飾介導的分子識別，所能夠帶來的豐富與多樣永遠值得人們期待！
圖1. PHF14PZP由獨特insertion loop 主導對H3氨基端識別
進一步的修飾交叉會話研究發(fā)現(xiàn)，PHF14對H3R2甲基化、T3磷酸化、K4甲基化、R8甲基化和K23乙?；然钴S轉(zhuǎn)錄相關(guān)的修飾敏感，但可以容忍K9三甲基化和K27三甲基化修飾。已有研究表明PHF14是PDGFRα，p14ARF，p15INK4b和p16INK4a的負調(diào)控因子，本研究實驗結(jié)果暗示PHF14具備抑制或者維持這些基因的非活躍狀態(tài)的功能。PHF14作為一種非修飾的“基”態(tài)H3(1–34)閱讀器，在維持靶基因非活躍狀態(tài)的同時，或可因為活躍轉(zhuǎn)錄相關(guān)修飾的建立而實現(xiàn)去抑制，從而以一種層次性去抑制的策略，響應(yīng)上游信號，促進靶基因從“非活躍“到”活躍“狀態(tài)的切換，實現(xiàn)基因表達的命運決定。因此，本工作的研究成果為后續(xù)圍繞PHF14的功能研究提供了重要機理支撐和理論指導。
圖2. PHF14對H3識別的分子機制及分子功能闡釋
本研究成果在清華大學醫(yī)學院完成。李海濤教授為通訊作者，鄭雙平博士為第一作者，畢于聰碩士以及陳海寧同學對本研究作出了重要貢獻。本工作還得到了生命學院龔波博士和賈順姬老師的指導和支持。同時，本工作也得到了國家蛋白研究中心（上海），清華大學蛋白質(zhì)化學與組學平臺質(zhì)譜平臺以及清華大學X-ray晶體學平臺的大力支持與幫助。
原文鏈接：
https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkab670/6345469
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