TAF1串联溴结构域模块中的BD1对DNA结合的机制性研究

《Biochemical Journal》：Mechanistic insights into DNA binding by BD1 of the TAF1 tandem bromodomain module

本研究揭示了TAF1双溴结构域中BD1通过带正电的RKR基序（R1435、K1436、R1437）独立于乙酰化组蛋白结合DNA，并表现出对AT序列的偏好性。电势计算和分子动力学模拟显示该基序通过氢键和静电作用稳定DNA结合，突变实验证实其必要性。BD1介导的DNA结合增强了TAF1对乙酰化核小体的识别，为理解转录起始因子TFIID的染色质调控机制提供了新视角。

　　TAF1，即转录起始因子TATA结合蛋白样蛋白1，是TFIID复合体的核心组成部分，该复合体在RNA聚合酶II介导的转录起始过程中发挥关键作用。TAF1不仅包含两个激酶结构域、组蛋白乙酰转移酶结构域、RAP74相互作用结构域，还拥有两个串联的溴结构域（BD1和BD2）。这些结构域在调控基因表达中具有重要作用，尤其是在识别和结合乙酰化组蛋白的过程中。然而，TAF1如何识别并结合染色质结构，尤其是其与DNA的直接相互作用，目前仍存在诸多未解之谜。本文通过系统性的实验和计算方法，揭示了TAF1的BD1结构域中一个关键的正电荷表面区域，该区域对于DNA的结合至关重要，并且其功能独立于组蛋白乙酰化识别。

研究发现，TAF1的BD1结构域通过其αA螺旋上的三个关键正电荷残基（R1435、K1436和R1437）与DNA形成相互作用。这些残基构成了一个独特的“RKR”基本结构，这一结构在TAF1的BD1中高度保守，并且在DNA结合过程中表现出对富含AT序列的DNA有适度偏好。通过电势映射、分子对接和分子动力学模拟等手段，研究团队确认了这些正电荷残基在DNA结合中的核心作用，它们通过氢键和静电相互作用稳定地结合到DNA上。进一步的实验表明，这些残基的突变会显著削弱TAF1对DNA的结合能力，甚至完全阻止结合，说明该基本结构在DNA识别中具有不可替代的功能。

在进一步的实验中，研究团队还发现，TAF1的BD1结构域对乙酰化组蛋白的结合并不影响其与DNA的结合能力。这意味着TAF1的两个结合功能——组蛋白乙酰化识别和DNA直接结合——是独立运作的。这种双重识别能力可能使TAF1能够更灵活地调控染色质结构，从而影响基因转录的启动和调控。此外，研究团队还发现，TAF1的BD1基本结构与AT-hook结构相似，AT-hook结构是许多非组蛋白染色质蛋白中常见的DNA结合结构域，其通常通过与AT-rich DNA的微沟相互作用来实现DNA识别。这表明TAF1的BD1可能通过类似的机制参与染色质的识别和调控。

为了进一步验证这一假设，研究团队进行了核小体拉下实验，以评估BD1基本结构在TAF1与乙酰化核小体结合中的作用。实验结果显示，当BD1的基本结构被破坏时，TAF1对乙酰化核小体的结合能力显著下降，表明这一结构在核小体识别中起着至关重要的作用。这些结果不仅支持了TAF1的BD1结构域在染色质结合中的功能，还揭示了其在调控基因表达中的潜在机制。BD1的DNA结合能力增强了TAF1对乙酰化核小体的识别，这种双重识别机制可能使TAF1能够更有效地参与染色质结构的调控。

研究还指出，TAF1的BD1与BD2在结构和功能上存在一定的差异。BD1展现出高度的正电势，而BD2则呈现较强的负电势。这种电势分布的差异可能影响它们在染色质上的结合方式。例如，BD1可能通过其正电势与DNA的负电势形成稳定的静电相互作用，而BD2可能通过其他机制与组蛋白相互作用。这种结构上的差异可能反映了TAF1在不同功能上的适应性，使其能够在多种染色质环境中发挥作用。

此外，研究团队还对TAF1的同源蛋白TAF1L进行了分析，发现其BD1结构域中虽然也存在类似的正电荷区域，但整体电势分布和结构特征与TAF1存在显著差异。这表明TAF1的BD1基本结构可能具有独特的功能，而TAF1L的DNA结合能力可能受到其结构特性的限制。因此，TAF1的BD1可能在染色质识别中扮演着更为关键的角色。

本研究还涉及对其他人类溴结构域的分析，发现一些溴结构域中存在与TAF1BD1相似的基本结构。例如，TRIM33A/B和TRIM66的“QKK”结构，以及PRKCBP1的“KKK”结构，都显示出对DNA结合的潜力。这些结构域可能通过类似的静电相互作用机制与DNA结合，从而在染色质调控中发挥重要作用。然而，由于这些结构域在序列和结构上的多样性，其具体的DNA结合能力仍需进一步的功能实验验证。

研究团队还通过圆二色光谱分析，确认了TAF1BD1的突变并未影响其二级结构的稳定性，进一步支持了其DNA结合功能的独立性。这一发现对于理解TAF1在染色质上的多功能性具有重要意义，同时也为开发针对TAF1的调控药物提供了新的思路。

综上所述，本文通过一系列实验和计算方法，揭示了TAF1的BD1结构域在DNA结合中的关键作用。这一发现不仅拓展了我们对TAF1功能的理解，也为进一步研究其在染色质调控中的具体机制提供了基础。TAF1的BD1基本结构可能在基因表达调控中发挥重要作用，通过与DNA的直接结合，增强其对乙酰化核小体的识别能力，从而影响转录起始和基因表达的调控。未来的研究可以进一步探讨这一结构在不同细胞类型和生理条件下的具体作用，以及其在疾病发生中的潜在影响。