来自 科技前沿 2019-09-23 15:32 的文章
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生物物理所揭示白藜芦醇促进去乙酰化酶SIRT1酶活

6月15日,美国Genes & Development 杂志发表了中国科学院生物物理研究所许瑞明研究组关于白藜芦醇促进去乙酰化酶SIRT1酶活性作用机制的最新研究进展,标题为Structural basis for allosteric, substrate-dependent stimulation of SIRT1 activity by resveratrol

8月9日,中国科学院生物物理研究所许瑞明课题组与美国哥伦比亚大学张志国课题组合作完成的研究论文,以Multisite substrate recognition in Asf1-dependent acetylation of histone H3K56 by Rtt109为题,发表在Cell上。该工作通过解析真菌特有的组蛋白乙酰转移酶Rtt109与活性调节因子Asf1以及底物H3-H4复合物的晶体结构,结合生化和遗传学实验,首次揭示组蛋白伴侣调节组蛋白修饰酶活性的分子机理。这是染色质领域第一个组蛋白修饰酶与完整底物复合体的结构。

2月24日,国际学术期刊《核酸研究》(Nucleic Acids Research)在线发表了中国科学院生物化学与细胞生物学研究所国家蛋白质科学中心丁建平研究组的最新研究成果:Structural and mechanistic insights into regulation of HBO1 histone acetyltransferase activity by BRPF2,该研究工作揭示了支架蛋白BRPF2调控MYST家族乙酰转移酶HBO1对于组蛋白H3K14乙酰化酶活的分子基础。

人源SIRT1是Sir2(Silent information regulator 2)超蛋白家族的成员之一,它是NAD+依赖型的去乙酰化酶,能够催化组蛋白底物和非组蛋白底物(如p53, FOXO3a等)的乙酰赖氨酸进行去乙酰化反应,在染色质重塑、基因调控、代谢、癌症等相关疾病及延缓衰老等方面发挥着重要作用。由于Sir2及其同源物被发现能够延长酵母、线虫及果蝇等模式生物的生命周期,因此SIRT1作为人体中与Sir2最为相似的同源蛋白在延缓衰老这一领域引起了人们的广泛关注。白藜芦醇是植物中提取的一种多元酚,它被发现在体内和体外均可以有效促进SIRT1的去乙酰化酶活性,然而由于在体外活性实验中运用到了一种荧光修饰的小肽,白藜芦醇作为SIRT1激动剂这一观点引起了争论。

核小体是真核生物染色质的基本结构单元,由约146bp的DNA缠绕在核心组蛋白八聚体而形成的。染色质局部结构的动态变化影响许多重要的生命活动过程,如DNA复制、RNA转录、DNA损伤修复、重组等。组蛋白翻译后修饰是影响染色质结构的重要因素,这些修饰主要发生在组蛋白末端的尾巴上,包括甲基化、乙酰化、磷酸化和泛素化等修饰。

组蛋白的乙酰化是一种重要的表观遗传修饰,其与染色质的组装形式尤其是染色质的解聚及疏松程度密切相关。不同的乙酰化程度决定了染色质特定位点基因的表达强弱,并进一步影响到DNA复制与修复、细胞分化及发育等多种生理过程。在体内,由组蛋白乙酰转移酶(histone acetyltransferase, HAT)负责对组蛋白上特定位点的赖氨酸残基进行乙酰化。HBO1属于MYST组蛋白乙酰转移酶家族,其对于H3、H4及其它非组蛋白底物都具有广谱的酶活性。在体内它能够与支架蛋白BRPF或JADE及辅助蛋白ING4/5和Eaf6形成稳定的复合物。不同的组分构成决定了HBO1在染色质上的定位,同时增强了其对特定位点的乙酰化酶活。研究表明,HBO1-BRPF2复合物在体内能够特异性地乙酰化组蛋白H3K14,而该位点乙酰化水平的异常会导致DNA复制、细胞周期紊乱,造成胚胎发育迟滞及肿瘤发生。因此,研究HBO1-BRPF2复合物的组装方式及复合物对HBO1酶活的调控方式可以增进对组蛋白乙酰转移酶复合物如何发挥生理功能的分子机制的了解。

皇冠官网地址,生物物理所许瑞明研究组解析了SIRT1“全酶”(包括N端调节区域、催化核心结构域及C端调节区域)与三个白藜芦醇小分子以及AMC荧光标记的p53小肽三元复合物的晶体结构,并且通过突变体实验、结合实验和活性实验确定了三个白藜芦醇小分子的重要性及作用机制。对整个激活过程最为重要的两个白藜芦醇小分子一方面与底物p53小肽的AMC荧光环相互作用,另一方面与SIRT1的N端调节区域相互作用,从而使蛋白与底物之间的结合更为紧密。然而对于没有AMC荧光修饰的天然小肽,白藜芦醇则不能促进SIRT1的去乙酰化酶活性。

2007年,张志国和许瑞明课题组合作报道组蛋白H3K56位乙酰化现象,并鉴定出真菌特有的乙酰转移酶Rtt109是催化该修饰的酶。这与之前发现的所有位于组蛋白N-端无规则尾巴的位点都不同,H3K56位于H3的N端α-螺旋结构域内,靠近核小体DNA的进出口。缺少H3K56乙酰化修饰的细胞易发生DNA损伤及染色质重排,这与该修饰在DNA复制叉的稳定及核小体成熟中发挥的作用相关。张志国和许瑞明课题组进一步研究两种组蛋白伴侣Asf1和Vps75对Rtt109酶活性的调节作用,体外实验表明两种组蛋白伴侣均可与Rtt109形成复合体,但Vps75主要促进了Rtt109在H3K9和H3K27位点的催化活性,而Asf1是促进H3K56位乙酰化的重要调节因子。

丁建平研究组的博士研究生陶冶及副研究员钟琛等人发现BRPF2的N端片段能够与HBO1催化结构域形成稳定的复合物,该复合物的形成在体外能促进HBO1对于组蛋白H3K14乙酰化的酶活。随后,研究人员运用结构生物学方法解析了该复合物结合辅因子乙酰辅酶A的晶体结构,发现HBO1呈现经典的MYST结构域构象,而BRPF2则以b发卡结构特异性地结合在HBO1的C端。他们进一步运用生物化学和细胞生物学等方法验证和分析了HBO1与BRPF2之间的相互作用,鉴定了参与特异性识别的关键位点,发现HBO1与BRPF2的相互作用方式与之前已报道的MYST家族蛋白MOF与支架蛋白MSL1的相互作用方式具有较大的差异。另外,体内实验结果也证明了BRPF2的N端区域是HBO1-BRPF2相互作用的重要位点,同时该区域也能够在一定程度上辅助该复合物结合核小体。这些研究结果不仅揭示了BRPF2调节HBO1酶活的分子基础,而且也为进一步阐明其它组蛋白乙酰转移酶复合物的调节机制提供了重要信息。

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