發布時間：2024-08-01
近期，中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院與澳門大學合作發表研究論文Structural basis of nucleosome deacetylation and DNA linker tightening by Rpd3S histone deacetylase complex（組蛋白去乙酰化酶Rpd3S核小體去乙酰化和DNA linker收緊的分子機制），被Cell Research（IF=44.1）選為“近三年最頂級文章（Top articles from the past 3 years）”。組蛋白去乙酰化酶（Histone deacetylation, HDAC）領域的開創性人物Jerry L. Workman以研究亮點（Research Highlight）的形式點評和討論了該論文研究內容。以上報道充分肯定了該項研究內容的創新性及重要性，該論文揭示了Class I HDAC復合物發揮功能的結構與生化基礎，將微觀世界的酶活反應以蛋白質復合體剪影的形式呈現出來，彰顯了大自然精巧的蛋白質結構設計和表觀遺傳調控的復雜性，為基于結構的靶向藥物設計奠定了理論基礎。
表觀遺傳調控是確保細胞表型多樣性的關鍵機制，基因表達水平的失調與疾病的發生密切相關。在釀酒酵母中，組蛋白去乙酰化酶Rpd3作為抑制因子調控基因轉錄，參與形成Rpd3S（Small）和Rpd3L（Large）兩種分子量約為0.6MDa和1.2MDa的大分子復合物來執行抑制基因轉錄的功能。人源Rpd3S復合物的功能異常與多種腫瘤的發生、發展密切相關，是乳腺癌、肺癌、急性髓細胞白血病、多發性骨髓瘤等實體瘤和血液系統惡性腫瘤重要的藥物靶點，也被認為是抗腫瘤藥物開發最有希望的靶點之一。HDAC抑制劑可以抑制腫瘤細胞增殖、阻滯細胞周期，進而誘導腫瘤細胞分化或凋亡，但由于缺乏對HDAC復合物的透徹研究，使得臨床使用的非特異性HDAC抑制劑通常伴隨著惡心、血小板減少和骨髓抑制等一系列不良反應。因此，Sin3 HDAC Rpd3S復合物核小體去乙酰化功能的分子機制的研究亟待開展且尤為重要，獲取的結構和功能信息將會為基于蛋白質結構的特異性HDAC抑制劑的設計提供全新的視角和潛在的靶點。
研究團隊結合生化實驗與單顆粒冷凍電鏡技術確定了Rpd3S組裝模式，并且以多種不同核小體底物模擬Rpd3S去乙酰化過程中的不同狀態，成功捕獲了Rpd3S在H3K36甲基化依賴的去乙酰化過程中的多個構象，以及與Linker Histone H1共存的模式。基于以上研究結果提出了Rpd3S在不同H3K36me3和linkerDNA協作的條件下多個全新的結合模型，發現Rpd3S復合物各亞基的組裝模式以及識別核小體底物的關鍵氨基酸位點，揭示了Rpd3S通過調整與核小體的相對位置實現對不同組蛋白去乙酰化的分子機制；同時，也發現了Rpd3S完成去乙酰化與Hho1發生時空伴隨，可能是Rpd3S去乙酰化后移向+1核小體與Hho1協同參與組裝和壓縮染色質并進一步沉默基因轉錄。
中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院何俊研究員與澳門大學William Chong Hang Chao教授為本文的共同通訊作者。中國科學院廣州生物醫藥與健康研究院博士生董淑琦、博士后Nadia?Rasheed，澳門大學博士后李華東、博士生王美林為本文共同第一作者。該研究得到了國家自然科學基金、中國科學院啟動基金以及澳門大學、澳門特別行政區科學技術發展基金等的資助。
圖1. A：Rpd3S去乙酰化H3K9的cryo-EM電子密度圖及搭建模型圖；B：Rpd3S去乙酰化H3/H4不同賴氨酸殘基的western blotting結果；C：H3 N端K9Q與Rpd3的酶活中心相互作用圖；D：Sin3 basic surface氨基酸與DNA相互作用圖；E：Rco1 AIM與DNA相互作用圖；F：CHD芳香籠與H3K36me3相互作用圖；G：Rco1 PHD與DNA相互作用圖。
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