核小体水平上组蛋白修饰酶和组蛋白密码识别因子参与表观遗传调控的分子机理研究

Histone modification regulates gene expression, which is the major topic of “histone code” hypothesis. To decipher the mystery of histone code, we first need to understand the molecular basis of those histone code “writers” and “readers”. Until now, most of the studies on the molecular mechanism of those histone-modifying enzymes and histone-modification readers are restricted to the level of synthetic peptides, while nucleosome-based structural studies are extremely limited. Nucleosome is the major target of epigenetic regulation in eukaryotic cells. Most histone-modifying enzymes can only modify proper positions on histone when using nucleosome as the substrate, so that only nucleosome-based structural studies can reveal the in vivo function of those biomacromolecules. The major aim of this project is to study the molecular basis of several key histone-modifying enzymes and several key histone code readers on the nucleosomal level. We will try to solve the complex structure of those proteins with the nucleosome substrate, which would greatly improve our understanding of the molecular mechanism of their epigenetic regulation on the nucleosomal level.

组蛋白修饰可以影响基因的表达调控，这是组蛋白密码学说的核心内容。要揭示组蛋白密码的秘密，首先要了解生成组蛋白密码的组蛋白修饰酶以及识别组蛋白密码的效应分子的分子机理。目前对组蛋白修饰酶以及识别组蛋白修饰的效应蛋白分子机理的研究，基本局限于合成的肽段水平，以核小体为底物的复合物结构的报道寥寥无几。核小体是真核细胞内表观遗传调控发挥功能的主要场所，很多组蛋白修饰酶只有以核小体为底物才能修饰正确的位点，因此只有揭示这些生物大分子在核小体水平上的分子机理，才能够真正的了解它们在生物体内的生理功能。本项目的主要目标是通过结构生物学的方法，研究一些重要的以核小体为底物的组蛋白修饰酶以及一些识别组蛋白密码的蛋白分子在核小体水平上发挥功能的分子机理，解析它们与核小体形成复合物的结构，推动表观遗传学领域核小体水平上分子机理研究的发展。

本项目对在核小体水平上参与组蛋白密码识别及表观遗传调控的蛋白复合物进行深入研究，经过一系列摸索最终聚焦在转录调控因子复合物Paf1复合物和含有PWWP结构域的HRP3蛋白上，并在这两个项目的研究上取得了突破。Paf1复合物是RNA聚合酶II的结合蛋白，参与转录延伸的调控，并且与核小体有相互作用，因此能够在转录水平和表观遗传水平调控转录.但是由于Paf1复合物分子量比较大，柔性较大，因此多年未能取得突破。本实验室经过多年的努力和摸索，终于解析了嗜热真菌Paf1复合物核心组分Ctr9-Paf1-Cdc73三元复合物的晶体结构，首次揭示了Ctr9-Paf1-Cdc73的结构和组装方式，揭示了Ctr9-Paf1二者在该复合物中的核心作用。该工作解释了Ctr9突变与人类癌症的关系，为进一步理解Paf1复合物异常与人类疾病的关系提供结构基础。该结构也为相关蛋白的药物研发提供分子模型支撑。该工作发表于2018年10月的PNAS杂志上。第二个项目，HRP3是肝癌衍生生长因子相关蛋白3，含有一个PWWP结构域，与人类癌症密切相关。我们解析了其PWWP结构域与DNA和含有H3K36me3/2修饰的组蛋白的复合物结构，解释了HRP3-PWWP对DNA和组蛋白识别的特异性，并建立了其与核小体结合的模型，为理解PWWP结构域参与核小体水平的调控功能提供基础。PWWP结构域存在于人类20多个蛋白中，对其功能的认识对理解其他含有PWWP结构域蛋白的功能，以及靶向PWWP结构域的小分子抑制剂的研究提供基础。该工作发表于2019年4月的Nucleic Acids Research杂志上。此外，还有一些尚未完成的工作也取得了进展。比如NSD2蛋白是核小体的甲基催化酶，并与人类多发性骨髓瘤密切相关，但是其分子机理一直不清楚。我们获得了其与核小体低分辨率的冷冻电镜结构，该工作将为理解NSD家族蛋白的催化机理及其与人类疾病的关系提供重要线索。