李海涛：把强大的工具做成有趣的科学

　　

“结构生物学研究成果相对直观和客观，往往能够提供生物学其它学科难以获得的分子细节和机制，大大拓展研究的深度。相比而言，功能研究比较强调逻辑流，讲一个系统的发现故事……好的结构生物学研究是把强大的工具做成有趣的科学，而不是相反，这一点在大型仪器设备和装置高度发达的今天尤为重要。”
                                     ——清华大学医学院基础医学系和结构生物学中心李海涛教授

   对于不少学生物的人来说，结构生物学就是一种应用工具，在结构解析技术高度发达的今天，好似没啥背景也可以很容易上手，然而现代生物学的不少里程碑式成果，都出自这一学科，如上个世纪50年代Waston和Crick发现并建立的DNA双螺旋结构。

   “结构生物学研究成果相对直观和客观，往往能够提供生物学其它学科难以获得的分子细节和机制，大大拓展研究的深度。相比而言，功能研究比较强调逻辑流，讲一个系统的发现故事”，清华大学医学院基础医学系和结构生物学中心李海涛教授如是解释道。

   李教授认为结构生物学并不仅仅是一种工具，也可以在故事发现上做到臻至完美，“在我看来，虽然结构解析是功能研究的利器，但结构生物学从来不是单纯的工具。好的结构生物学研究是把强大的工具做成有趣的科学，而不是相反，这一点在大型仪器设备和装置高度发达的今天尤为重要。”

   秉承这一信念，李海涛教授走出了自己的科研道路，在表观遗传调控的分子结构机理研究方面获得不少重要的成果，近期李海涛教授就与美国德克萨斯大学安德森癌症中心石晓冰助理教授研究组合作，发现了一种新型组蛋白乙酰化阅读器（reader）-YEATS结构域，揭开了组蛋白乙酰化转录调控研究新篇章。

   这是继1999年把溴域定义为组蛋白乙酰化阅读器后，组蛋白乙酰化识别调控领域的一个重要突破，开启了组蛋白乙酰化转录调控研究新方向。为了探寻这项重大成果背后的故事，生物通特联系了李海涛教授，就读者感兴趣的一些问题请教了他。

组蛋白“条形码”与识别“阅读器”

   近二十年来，科学家开始逐渐认识到DNA中的遗传密码只代表了生命蓝图中的一部分信息。遗传信息还来自于DNA结构上的特殊化学标签模式，这些表观遗传学标签决定了DNA包装的紧密程度以及特定基因的开关。

   其中组蛋白是染色体的结构蛋白，当DNA 就像线轴上的捆线那样缠绕着组蛋白时，它们形成了一个更大的DNA、组蛋白聚集体，称作核小体（nucleosome）。核小体进一步包装成为包含DNA、蛋白质和RNA的染色质。染色质的作用是收缩起DNA将其装入到细胞中由此防止DNA损伤，并通过受控的基因表达实现健康的细胞分裂。

   毫无疑问，这种组织形式当然有其意义所在，越来越多的研究显示某些组蛋白修饰如乙酰化和甲基化对于染色质性能至关重要，这些修饰参与异染色质形成、基因印记、X染色体失活和转录调控等多种生理过程，在基因表达调控及肿瘤发生发展中起着重要的作用。因此，组蛋白翻译后修饰，被认为是构成一类超越基因序列的“组蛋白密码”。

   组蛋白乙酰化就是最早一类被研究的“密码”，表观遗传学的兴起就是源于1996年组蛋白乙酰化转移酶和去乙酰化酶转录调控功能的发现。

   有了这种“密码”就像是有了条形码，但是如何扫描阅读这些条形码呢？

   科学家们建立了一种重要的工作模型，那就是乙酰化组蛋白可以被特定阅读器结构域所识别，从而招募染色质调控因子到特定区域，协同完成基因表达调控。如果这一阅读过程出现问题，就像是扫描仪不能识别你包裹上的条形码，对于DNA包装和传送这样至关重要的事情来说，这有可能意味着会导致癌症。

   新型“阅读器”的发现一直是表观遗传学领域的一个研究热点。迄今为止，被发现的各式各样“阅读器”已近30种。其中，比较为人熟知的赖氨酸乙酰化阅读器是溴域（Bromodomain），由于其重要性，目前数个溴域靶向的一类新药已处于临床试验阶段。

首次发现的AF9 YEATS阅读器

   AF9蛋白是一类重要的转录调控因子，可以分别与组蛋白H3K79甲基化转移酶DOT1L和超级延伸复合物（SEC）形成复合物，在转录起始-延伸转换过程中发挥着重要调控作用。
李海涛教授和合作者石晓冰助理教授研究组就是在这种蛋白上发现了一类新型组蛋白乙酰化修饰“阅读器”。

   通过晶体结构解析，李海涛研究组在2.3埃分辨率水平阐释了AF9蛋白YEATS结构域特异识别组蛋白H3赖氨酸9位乙酰化（H3K9ac）的分子机制。“我们发现AF9 YEATS结构域具有免疫球蛋白家族八链β三明治骨架，与由四股α螺旋构成的溴域截然不同，代表了一种全新折叠类型的组蛋白阅读器”，李海涛教授说，“AF9 YEATS对乙酰化赖氨酸的特异识别由一种丝氨酸内衬的三明治芳香笼口袋实现，该口袋尺寸刚好适合扁平的乙酰化赖氨酸插入，并介由拉力氢键、碳氢-π等相互作用强化，赋予YEATS微摩尔级别乙酰化赖氨酸识别能力。YEATS和溴域的乙酰化识别口袋从尺寸、溶剂暴露程度以及识别机制上有明显差别。等温量热滴定实验表明，已知的溴域抑制剂，如JQ1等对YEATS毫无抑制作用，预示YEATS靶向的特异小分子抑制剂开发充分可能。”

   “此外，YEATS对赖氨酸乙酰化位点特异性由AF9 YEATS对H3K9ac周边序列的识别所决定。构成乙酰化识别口袋的关键残基在不同YEATS结构域中高度保守，而参与周边序列识别的残基差异较大，提示乙酰化赖氨酸识别是YEATS结构域的一个共同特征，而不同YEATS能够识别不同乙酰化位点，对应于不同的基因表达调控功能，为其它YEATS蛋白的功能研究指明了方向。”

   临床遗传学研究也表明，AF9基因和MLL基因的融合（MLL-AF9）作为最常见的MLL重排类型，是导致人类急性髓细胞白血病（AML）以及急性淋巴性白血病（ALL）等疾病的驱动性因素。进一步的细胞生物学和功能基因组学研究发现，人AF9与H3K9ac修饰在全基因组水平有强烈的共定位，并且调控了包括MYC在内的数百个基因的表达。

   同时，这项研究首次表明AF9通过识别组蛋白H3K9乙酰化修饰，招募DOT1L到特定染色质区段，促进了组蛋白H3K79甲基化的共沉积和基因活化，揭示出一种新型组蛋白修饰交叉会话机制，未来也许能建立这与健康，以及致癌过程之间的关联。

YEATS结构域与临床应用

   含有YEATS结构域的蛋白因子，如AF9、ENL、GAS41等，不仅与转录调控密切相关，它们的调控异常通常会导致白血病、癌症等人类疾病的发生。

   那么这种结构域是否也能像靶向溴域的有效抑制剂一样，在临床上发挥作用呢？

   对于这一问题，李海涛教授详细做了解答，“YEATS结构域从酵母到人类都高度保守（包括序列和功能），目前已经在70多个物种中鉴定出数百个含有YEATS结构域的蛋白成员，比较具有代表性的如AF9、ENL、GAS41、YAF9、SAS5、TAF14等，是一些重要表观遗传调控复合物（包括染色质重塑复合物、组蛋白乙酰化复合物等）的组分。

   其中AF9能与组蛋白甲基化酶DOT1L，超级延伸复合物（SEC），以及PAF1等相互作用，通过识别组蛋白乙酰化修饰介导转录调控。受AF9调控的靶标包括增殖分化相关基因MYC，HOXA基因簇，BMP2等。因此AF9调控功能异常，与癌症等疾病发生密切相关。

   比如，AF9是最常见的MLL异位融合基因之一，是人类AML和ALL白血病的重要病因蛋白。因而，YEATS结构域作为完全不同于溴域的一类新型组蛋白乙酰化阅读器，很可能是一类有效的抗癌药物靶点，潜在应用前景良好。

   当然，我们的工作只是开启了含YEATS蛋白的功能研究新方向，这些蛋白与癌症等疾病发生的关系尚有待深入的分子病理学研究。此外，虽然这项工作为YEATS靶向的小分子抑制剂开发奠定了扎实的结构基础，但相关抑制剂的筛选和优化以及成药性分析仍具有高度挑战性，距离临床应用还存在一个漫长的攻关研发过程。”

背后的技术故事

   这项重要成果发现了AF9 YEATS结构域这一全新折叠类型的组蛋白阅读器，可谓是结构表观遗传学研究的一大进步。要取得这样的成功并不容易，“我们主要采用了组蛋白修饰多肽阵列筛选、等温滴定量热(ITC)、晶体结构解析和染色质免疫共沉淀测序（ChIP-seq）等方法，揭示了AF9 YEATS结构域的新功能。主要技术难点在于高质量多肽阵列的制备、稳定AF9 YEATS蛋白的溶液条件摸索、AF9 YEATS与H3K9乙酰化多肽复合物晶体的获得， ChIP-seq级别特异抗体制备，以及功能基因组学数据分析等，”李海涛教授说。

   “组蛋白修饰多肽阵列可以应用到任何已知组蛋白修饰研究去发现新型组蛋白修饰识别事件，一般再结合体外生化、结构生物学、细胞生物学和功能基因组学等手段交叉印证，可以实现对组蛋白修饰识别事件进行“发现-分子机制-功能”三位一体式深度剖析。目前表观遗传领域的许多热点突破都是基于上述方法的综合运用。”
另外李海涛教授也提到了合作者研究组的贡献和表观遗传学领域的国内外的发展：“高质量多肽阵列是合作者德克萨斯大学安德森癌症中心石晓冰助理教授实验室设计和研制的，灵敏度和特异性很高，在起初AF9 YEATS乙酰化识别功能的发现和位点鉴定上发挥了关键作用；同时晶体结构解析能在原子水平精细阐释组蛋白修饰识别事件，往往能提供其他方法无法捕捉到的细节和新意。”

   “我国在起初表观遗传学概念和理论体系的建立上起步略晚，但随着我国各项人才计划的开展和国家经费的大量投入和支持，我国在表观遗传研究领域的实力逐渐提升，目前已有多项成果取得了世界领先的突破。今年中科院生物物理所在30nm染色质高级结构解析方面取得的研究成果就是一项代表性工作。

   值得一提的是，许多身居国外的华裔科学家对表观遗传学科的发展和完善作出了重要贡献，比如哈弗大学的施扬和张毅教授,埃默里大学程晓东教授，纽约西奈山医院周明明教授，芝加哥大学何川教授等，在组蛋白和DNA甲基化、去甲基化，组蛋白修饰识别等表观遗传学核心问题方面均做出了关键性贡献。”

   李海涛教授还补充道，“本次YEATS结构域乙酰化阅读器功能的新发现，以及年初发表在《自然》上新型组蛋白H3.3变体甲基化阅读器-ZMYND11的发现等工作，是我的清华实验室（结构生物学），德克萨斯大学石晓冰实验室（细胞生物学）以及贝勒医学院李蔚实验室（生物信息学）的通力合作研究成果，也代表了年轻一代华裔科学家在表观遗传领域作出的新贡献。志趣相投的科学家通过精诚合作破解重要科学难题，充分体现了现代生命科学研究多学科深度交叉的趋势。”

好的结构生物学研究是把强大的工具做成有趣的科学

   今年是国际结晶学年，过去几年里，国内结构生物学领域飞速发展，尤其是在清华大学的结构生物学研究平台上涌现了不少重要的成果，那么对于从事结构生物学研究，以及清华大学这一平台，李海涛教授又是如何看待的呢？

   “结构生物学研究成果相对直观和客观，往往能够提供生物学其它学科难以获得的分子细节和机制，大大拓展研究的深度。相比而言，功能研究比较强调逻辑流，讲一个系统的发现故事”，李海涛教授说。

   “结构生物学研究的关键是成功的结构解析，而这一过程的实现要求一个科研工作者拥有扎实的结构解析功底，对待科学问题有良好的洞察力和洞见力，以及课题攻关过程中有足够的细心、耐心，甚至耐力。结构生物学家往往需要对生物大分子的结构设计有着深刻的见解才能做出重大突破。此外，在我看来，虽然结构解析是功能研究的利器，但结构生物学从来不是单纯的工具。好的结构生物学研究是把强大的工具做成有趣的科学，而不是相反，这一点在大型仪器设备和装置高度发达的今天尤为重要。”

   除此之外，对于清华大学这一平台，李海涛教授认为，借助清华大学凤凰工程国家蛋白质基础设施、教育部蛋白质科学重点实验室、清华大学结构生物学中心的建设，以及上海和北京同步辐射光源的大力支持，清华大学结构生物学研究平台拥有了一流的人员、科研环境和仪器设备条件。再加上老一辈和新一代的结构生物学家的共同努力，共同奠定了清华大学结构生物学研究的坚实基础。

   “总的说来，清华大学结构生物学研究平台的优势体现在资源优化配置和共享，以及活跃的学术氛围和平等的交流环境等。全面而高端的仪器设备配置，使得结构生物学研究可以实现从‘样品制备-结构解析-功能分析’的无缝式联接，促进了科研从仪器依赖型到问题导向型的转换。良好的学术交流环境为各种观点的碰撞和多方法、多学科交叉提供了土壤，促进了智力资源的整合和优秀成果的产出。上述平台优势在本实验室各项结构表观遗传学研究成果产出过程中发挥了至关重要的作用。”
(生物通：王蕾)

原文摘要：
AF9 YEATS Domain Links Histone Acetylation to DOT1L-Mediated H3K79 Methylation

The recognition of modified histones by “reader” proteins constitutes a key mechanism regulating gene expression in the chromatin context. Compared with the great variety of readers for histone methylation, few protein modules that recognize histone acetylation are known. Here, we show that the AF9 YEATS domain binds strongly to histone H3K9 acetylation and, to a lesser extent, H3K27 and H3K18 acetylation. Crystal structural studies revealed that AF9 YEATS adopts an eight-stranded immunoglobin fold and utilizes a serine-lined aromatic “sandwiching” cage for acetyllysine readout, representing a novel recognition mechanism that is distinct from that of known acetyllysine readers. ChIP-seq experiments revealed a strong colocalization of AF9 and H3K9 acetylation genome-wide, which is important for the chromatin recruitment of the H3K79 methyltransferase DOT1L. Together, our studies identified the evolutionarily conserved YEATS domain as a novel acetyllysine-binding module and established a direct link between histone acetylation and DOT1L-mediated H3K79 methylation in transcription control.

人物简介：
李海涛教授

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:
2003-2006 美国纪念斯隆-凯特琳癌症中心 博士后研究员
2006-2010 美国纪念斯隆-凯特琳癌症中心 高级研究科学家
2010.1至今 清华大学医学院教授

主要研究领域与方向:

　　表观遗传调控的分子结构基础。表观遗传学是一门研究不依赖于DNA序列改变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、以及细胞分化和发育过程中发挥功能的分子机制，进而为表观遗传因子靶向的药物开发奠定基础。当前本实验室的具体研究内容包括 （1）新型组蛋白修饰或修饰组合的识别和调控机制研究；（2）非编码RNA介导的表观遗传调控结构基础；（3）基于结构的表观遗传靶向药物开发。