清华大学李海涛教授Nature子刊新文章

近日来自清华大学、美国哈佛医学院、洛克菲勒大学、麻省总医院、渥太华卫生研究所以及美国纪念斯隆－凯特琳癌症中心等研究机构的科学家们在组蛋白甲基化密码“读体”识别机制研究中取得突破性成果，相关研究论文在线发表在6月12日的《自然结构与分子生物学》（Nature structural & molecular biology）杂志上。

　　

生物通报道  近日来自清华大学、美国哈佛医学院、洛克菲勒大学、麻省总医院、渥太华卫生研究所以及美国纪念斯隆－凯特琳癌症中心等研究机构的科学家们在组蛋白甲基化密码“读体”识别机制研究中取得突破性成果，相关研究论文“ATRX ADD domain links an atypical histone methylation recognition mechanism to human mental-retardation syndrome”（ATRX ADD结构域关联一种非典型组蛋白甲基化识别机制到人类智力发育迟滞综合征）在线发表在6月12日的《自然结构与分子生物学》（Nature structural & molecular biology）杂志上。

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清华大学的李海涛教授、哈佛医学院波士顿儿童医院的施扬教授以及美国纪念斯隆－凯特琳癌症中心的Dinshaw J Patel为这篇论文的共同通讯作者。李海涛教授领导的课题组负责完成了晶体结构解析及一系列多肽结合实验。李海涛课题组项斌同学承担了蛋白纯化，H3K9me3复合物晶体生长，以及多肽结合等实验。相关衍射数据的收集得到北京高能物理所北京同步辐射光源（BSRF）3W1A线站，以及上海同步辐射光源（SSRF）BL17U1线站的大力协助。该工作得到了科技部“973” 计划干细胞项目（2011CB965300）和清华大学“985”计划II期基金资助。

真核生物染色体的基本结构单位是核小体，主要由DNA和组蛋白构成。组蛋白翻译后修饰，包括甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等，通常被认为构成一层超越DNA序列的“组蛋白密码”，控制着染色质的“开”与“关”状态，在转录、复制、异染色质形成等众多细胞进程中发挥着重要调控作用，因此研究这些组蛋白修饰密码如何被“读体”蛋白特异读取并诠释有着十分重要的意义。

在这篇文章中，研究人员针对人源ATRX （X-染色体连锁a-地中海贫血兼智力发育迟滞）蛋白内部的一个锌指结构域ADD（ATRX-DNMT3-DNMT3L）展开结构与功能研究，在高达0.93埃原子分辨率水平解析了该结构域与组蛋白H3赖氨酸9三甲基化（H3K9me3）多肽复合物结构。该研究首次把ATRX ADD确定为一类新折叠类型的H3K9me3读体家族成员，并揭示出如下新型组蛋白甲基化识别机制：

1）ATRX ADD通过一个非典型极性口袋，主要以“碳-氧”氢键形式实现对9位赖氨酸三甲基化识别，这与目前已知的赖氨酸三甲基化“芳香笼”读体识别机制截然不同；

2）H3K9me3极性口袋位于构成ADD的两个亚结构域GATA-like锌指与PHD锌指的界面，这种“复合型口袋”有别于其它主要由单个（亚）结构域形成底物口袋的组成方式；

3）ATRX ADD对H3K9me3的高效识别不仅依赖于9位赖氨酸三甲基化，而且依赖于4位赖氨酸非甲基化和一个自由组蛋白H3 氨基末端，呈现一种高度协同的组合型识别机制。

以上新型识别机制的揭示深化了人们对“组蛋白密码”破译机制的理解，并对其它潜在组蛋白甲基化“读体”蛋白的发现有着重要的借鉴指导意义。　

ATRX是人类“ATR-X综合征”的关键病因蛋白，多见于男童，临床表现有a-地中海贫血以及智力发育迟滞等。临床遗传学研究在病人中已鉴定出上百种ATRX错意突变，其中约有50%的突变富集在ADD锌指结构域。此外，研究还表明ATRX在转录、X染色质抑活、癌症发生，以及干细胞自我更新和多能性状态维持等过程中也发挥着重要作用。本研究证实 ATRX蛋白ADD 结构域具有重要的H3K9me3“读体”功能，是ATRX在染色体着丝粒旁区或端粒等异染色质区进行定位并发挥正常功能所不可或缺的，从而在分子水平阐明了ATRX 突变引发“ATR-X综合征”的致病机理之一，也为人类“ATR-X综合征”的进一步治疗提供了重要的病因学基础。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

ATRX ADD domain links an atypical histone methylation recognition mechanism to human mental-retardation syndrome

ATR-X (alpha-thalassemia/mental retardation, X-linked) syndrome is a human congenital disorder that causes severe intellectual disabilities. Mutations in the ATRX gene, which encodes an ATP-dependent chromatin-remodeler, are responsible for the syndrome. Approximately 50% of the missense mutations in affected persons are clustered in a cysteine-rich domain termed ADD (ATRX-DNMT3-DNMT3L, ADDATRX), whose function has remained elusive. Here we identify ADDATRX as a previously unknown histone H3–binding module, whose binding is promoted by lysine 9 trimethylation (H3K9me3) but inhibited by lysine 4 trimethylation (H3K4me3). The cocrystal structure of ADDATRX bound to H31–15K9me3 peptide reveals an atypical composite H3K9me3-binding pocket, which is distinct from the conventional trimethyllysine-binding aromatic cage. Notably, H3K9me3-pocket mutants and ATR-X syndrome mutants are defective in both H3K9me3 binding and localization at pericentromeric heterochromatin; thus, we have discovered a unique histone-recognition mechanism underlying the ATR-X etiology.

作者简介：

李海涛
教授、博士生导师
     
教育经历
1993-1997 山东大学微生物系 微生物学学士
1997-2003 中国科学院生物物理研究所 分子生物物理学博士

工作经历
2003-2005 美国纪念斯隆－凯特琳癌症中心Research Fellow
2005-2006 美国纪念斯隆－凯特琳癌症中心Research Associate
2006-2010 美国纪念斯隆－凯特琳癌症中心Senior Research Scientist
2010.1至今 清华大学医学院教授

主要研究领域与方向
结构表观遗传学。表观遗传学是一门研究不依赖于DNA序列的生物性状遗传或继承现象的学科，具体机制涉及到各种组蛋白修饰、组蛋白变体、DNA甲基化、染色质重塑以及非编码RNA等，是当前生命科学研究中的一个热点。本实验室主要以生物大分子X-射线晶体学等结构生物学手段研究表观遗传学现象，并与各种生物化学及细胞生物学功能分析密切结合，探讨关键表观遗传因子在人类疾病、以及干细胞分化和重编程过程中发挥功能的分子机制，进而为以表观遗传因子为靶点的新型药物开发奠定基础。目前本实验室的具体研究方向包括 “组蛋白密码”的读体识别与调控，重要染色质重塑复合物的结构与功能，以及非编码RNA介导的染色质结构调控等。