PR-DUB去泛素化酶复合物特异性去除核小体H2AK119泛素化的分子机制

2023年3月29日，中国科学院生物物理研究所许瑞明研究员与朱冰研究员团队在《 Nature 》上在线发表题为" Basis of the specificity of the Polycomb repressiv...

　　

　　2023年3月29日，中国科学院生物物理研究所许瑞明研究员与朱冰研究员团队在《Nature》上在线发表题为"Basis of the H2AK119 specificity of the Polycomb repressive deubiquitinase"的研究论文，解析了人源PR-DUB复合物结合H2AK119泛素化核小体的高分辨率电镜结构，阐明了PR-DUB特异性去除核小体H2AK119单泛素化修饰（H2AK119ub1）的分子机理。

　　多梳蛋白（Polycomb group proteins）通过抑制基因表达对胚胎发育及细胞命运决定等过程起着重要作用，主要包含PRC1，PRC2和PR-DUB等复合物。PR-DUB具有与PRC1相拮抗的酶活性，在核小体底物上特异性地去除组蛋白H2AK119ub1；这一修饰在真核生物中高度保守且含量丰富，在基因沉默及X染色体失活中发挥重要作用。人源PR-DUB复合物由泛素C端水解酶BAP1和激活其活性的ASXL1/2/3其中之一组成。BAP1是重要的肿瘤抑制因子，它与ASXL1在多种人类肿瘤中常发生高频突变。虽然果蝇PR-DUB复合物Calypso/ASX的晶体结构已在近几年被解析，由于缺乏与泛素化核小体底物的复合物结构，限制了人们对PR-DUB特异性去除H2AK119泛素化分子机制的理解。

　　研究人员通过解析PR-DUB结合核小体的3 Å分辨率的冷冻电镜结构，发现BAP1富含正电荷的CTE结构域上的699-706残基形成一个手指状结构，识别核小体内环对称轴（SHL0）附近DNA磷酸骨架，碱基基团以及组蛋白H3-H4氨基酸残基。在BAP1的UCH催化结构域上，研究人员发现第56-60位的高度保守富含精氨酸序列（RRSRR）与核小体上的酸性区域相互作用，这种双位点结合模式将BAP1/ASXL1稳定地锚定在核小体盘面上。ASXL1作为激活亚基与BAP1一起构成了完整的泛素结合位点。另外，两者的结合还帮助BAP1 CTE正确定位在核小体上。更为重要的是，研究人员发现BAP1活性中心远离常规的H2AK119位点，泛素与BAP1/ASXL1结合，带着H2A C端尾巴向核小体盘面翘起，使得H2AK119与泛素C端的共价异肽键结合在BAP1的催化中心，清晰地展示了BAP1对于核小体上H2AK119底物特异性的结构基础。基于结构信息，研究人员设计了相关的体外去泛素化酶活实验和细胞实验验证了PR-DUB与核小体相互作用界面的关键氨基酸的重要性，明确了激活亚基ASXL1在BAP1酶活调控中的重要作用；同时在作用界面关键区域选取了一些BAP1与癌症相关的错义突变进行去泛素化酶活实验及细胞实验，发现这些突变会造成BAP1酶活不同程度的下降。

　　综上，这项研究工作首次解析了组蛋白H2A去泛素化酶与泛素化核小体的高分辨率电镜结构，发现的H2A C端尾巴构象变化揭示了PR-DUB特异性去除H2AK119ub1的分子机制，拓展了人们对组蛋白H2A去泛素化过程的认知，同时为靶向BAP1和ASXL1的潜在药物设计提供了重要的结构生物学基础。

图：BAP1/ASXL1结合核小体的整体结构

　　中科院生物物理研究所许瑞明和朱冰研究员为共同通讯作者，生物物理研究所博士生葛蔚然，余聪和李晶晶为本文的共同第一作者。李国红研究员团队为体外去泛素酶活实验提供了大力支持，章新政研究员为电镜数据分析提供了帮助，中国科学技术大学田长麟教授指导了泛素化H2A的合成。该研究获得国家自然科学基金委、科技部和中科院项目资助。生物物理所蛋白质科学平台和生物成像中心为静态光实验和电镜数据收集提供了重要支撑和保障。

　　文章链接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05841-y

 

（供稿：许瑞明研究组）