朱平研究组与合作者揭示NuA4乙酰化核小体的动态机制

　　

　　2025年3月18日，美国科学院院报《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》在线发表了中国科学院生物物理研究所朱平研究组和中国科学院物理研究所朱洪涛、陆颖研究组合作完成的研究论文"Cryo-EM structures reveal the acetylation process of piccolo NuA4"。

　　组蛋白乙酰化是一种重要的表观遗传修饰。组蛋白乙酰转移酶在染色质结构、基因转录调控，以及DNA损伤修复过程中都起着重要的作用。一般而言，表观遗传调控中的大部分组蛋白修饰酶（如甲基转移酶）具有位点特异性，即一种修饰酶只对组蛋白尾部的某个特定残基进行修饰。但是，研究表明许多组蛋白乙酰转移酶可以修饰多个位点。比如，NuA4是酵母体内唯一必需的乙酰转移酶，研究者发现它可以对组蛋白H2A、H2A.Z和H4 N端多个赖氨酸残基进行乙酰化修饰。但是迄今为止，组蛋白乙酰转移酶是如何对核小体上不同组蛋白上的多个氨基酸残基进行修饰的过程及机制并不清楚。

　　piccolo NuA4（pNuA4）复合物由Esa1、Yng2、Eaf6和Epl1等亚基构成，是NuA4复合物中维持乙酰转移酶活性并对底物进行乙酰化修饰的基本结构模块。朱平研究组及其合作者对pNuA4在乙酰化含H2A.Z的核小体中不同底物赖氨酸时的冷冻电镜结构开展了研究。研究团队借助冷冻电镜三维重构技术，解析了pNuA4在乙酰化组蛋白H4和H2A.Z过程中多个不同状态下乙酰转移酶pNuA4-核小体复合物的结构。研究者发现，在识别同时含有H4和H2A.Z的核小体底物时，pNuA4会优先识别组蛋白H4上的赖氨酸底物。当pNuA4寻找到合适的底物并准备进行乙酰化时，Epl1亚基中的N端loop（R58 - L74）会发挥类似锚的"anchor"作用，使pNuA4上的催化亚基Esa1能够稳定地锚定在核小体的盘面上，从而对H4上的底物赖氨酸进行乙酰化修饰。同时，研究者利用单分子共振能量转移（smFRET）实验对pNuA4进行核小体上不同组蛋白的乙酰化动态过程进行了进一步的系统研究。研究者发现，当pNuA4与含有H4和H2A.Z的核小体结合时，会以较大的概率（~77%）首先靠近组蛋白H4并对其上的赖氨酸底物进行乙酰化。在完成组蛋白H4上底物的乙酰化后，pNuA4会继续寻找其它组蛋白底物（H2A.Z上的赖氨酸残基）并完成其乙酰化。由于pNuA4底物具有多样性，为了获取pNuA4准备乙酰化H2A.Z的状态，研究者将组蛋白H4上的四个赖氨酸位点突变为谷氨酰胺，以此模拟H4的乙酰化状态。通过三维分类分析发现，在其中一类结构中，pNuA4以完全不同的构象与核小体结合，此时pNuA4中Esa1的催化中心更接近H2A.Z。当在pNuA4-H2A.Z核小体反应体系中加入乙酰辅酶A并启动乙酰化过程后，研究者观察到，在对核小体上所有H4和H2A.Z底物的乙酰化过程完成后，pNuA4会重新定位到H4附近，并准备进行下一轮对其它核小体的乙酰化过程。也就是说，在染色质纤维层面，pNuA4会逐步完成对不同核小体的乙酰化过程，从而使得目标DNA结构变得松散，促进基因的转录过程。

　　该研究揭示了酵母中pNuA4对底物核小体进行乙酰化的一个完整过程，并明确了pNuA4在乙酰化多个赖氨酸底物时的具体机制，展现了pNuA4在乙酰化核小体过程中的动态顺序以及结构模型（图1）。这一成果有助于科研人员更深入地理解组蛋白乙酰化的完整过程及其对基因转录调控的作用机制，也为未来相关疾病的治疗提供了新的思路。

图1 pNuA4乙酰化H2A.Z核小体上不同底物的过程示意图

　　中国科学院生物物理所朱平研究员和中国科学院物理所朱洪涛研究员、陆颖研究员为本文的共同通讯作者，朱平课题组王琳博士（朱洪涛课题组博士后）、博士生张浩楠和陆颖课题组贾棋博士为该项工作的共同第一作者，朱平课题组李文艳博士、陆颖课题组杨晨光博士和马利娟博士、以及物理所李明研究员也对该研究做出了重要贡献。该研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项（B类）等的资助。数据收集和样品分析等工作得到了生物物理所生物成像中心、生物物理所蛋白质科学研究平台等有关工作人员的大力支持和帮助。

　　文章链接：https://www.pnas.org/doi/epub/10.1073/pnas.2414490122

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（供稿：朱平研究组）

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