人源PCL家族蛋白参与表观遗传调控的分子机理

Human Polycomb-like (PCL) proteins contain PHF1, MTF2 and PHF19, which function in various fundamental cellular processes including DNA damage repair, embryonic stem cell differentiation and body segmentations. Aberrant human PCLs, e.g., JAZF1/PHF1 fusion protein and the overexpression of the short form of PHF19, are closely related to multiple human cancers. So understanding the molecular basis of human PCLs is important for understanding their physiological function and relationship with cancer. Human PCLs recognize H3K36me3 histone mark and PRC2 components at the same time, indicating an important role in connecting the activation mark to the repressive PRC2 complex. However, molecular details of the multiple conserved N-terminal domains of PCLs, their interaction with PRC2 as well as their interaction with the histone peptides are not clear. In this project, using structural biology as the major tool, we focus on understanding the molecular details of the higher order structure of human PCLs, their interaction with PRC2 components, and the potential ternary complex structure of histone-PCL-PRC2. We expect that a structural perspective of the molecular details of PCLs and their associated factors would shed light onto their function in PRC2 modulated repression, which would further provide insight into the molecular mechanism of their dysregulation related tumorigenesis.

人源Polycomb-like（PCL）家族蛋白包含PHF1、MTF2和PHF19三个成员，它们在DNA损伤修复、胚胎干细胞发育和体节生成等基本的生命活动中起重要作用，它们的异常表达，比如PHF1的融合蛋白、PHF19截短体的过量表达等，与人类的多种癌症相关。现有工作表明人源PCL家族蛋白既可以识别含有H3K36me3的组蛋白密码，又可以与PRC2的核心酶EZH2以及其他PRC2组分相互作用，表明PCL家族蛋白可以通过识别组蛋白密码来调控PRC2的功能。但是PCL家族蛋白的多个保守结构域的结构以及它们与PRC2相互作用的分子机理并不清楚。本项目以结构生物学为主要手段，着重从分子水平上解析人源PCL蛋白N端多个保守结构域的组装方式、它们与PRC2相互作用的机理以及它们同时识别组蛋白密码和PRC2的分子机理。本项目希望通过对以上一系列复合物结构的解析找到PCL家族蛋白异常与人类疾病的关系。

PCL家族蛋白是表观遗传调控的重要复合物－PRC2的结合蛋白，已有的研究表明其可以调控PRC2复合物的活性或者在染色质上的招募，但是相关的分子机理并不清楚。PCL家族蛋白在果蝇里只有一个成员，称为PCL。在高等哺乳动物里有3个成员，分别被称为PHF1、MTF2和PHF19。这三个成员的异常与多种癌症相关联，因此研究PCL家族蛋白的分子机理及其参与的表观遗传调控机理有很重要的生理意义。本项目主要从PCL家族蛋白的分子结构入手，通过蛋白质晶体学的方法解析了PHF1和MTF2的N端含有Tudor-PHD1-PHD2-EH四个结构域的晶体结构，发现PHF1/MTF2的EH结构域折叠成winged-helix结构，能够特异识别含有非甲基化修饰CpG基序的双链DNA。发现PHF1/MTF2的Tudor结构域能够特异识别含有H3K36me3修饰的组蛋白。基于此，解析了PHF1和MTF2与含有CpG基序的DNA和含有H3K36me3修饰的组蛋白的三元复合物的结构，揭示了PHF1/MTF2特异识别非甲基化修饰CpG基序的DNA和H3K36me3修饰的组蛋白的分子机理。通过与哈佛大学的施扬实验室合作，发现在小鼠的胚胎干细胞中，MTF2通过EH结构域对识别非甲基化的CpG基序将PRC2招募到基因组的CpG岛上，而MTF2突变的细胞中，由于MTF2丧失了结合CpG DNA的能力，因此PRC2在CpG岛上的招募也大大减弱。因此，我们的工作首次发现并证实了PCL家族蛋白的EH结构域能够特异识别含有非甲基化的CpG基序，首次直接证实了PRC2通过PCL蛋白招募到基因组的CpG岛上。这是该领域研究的重大突破。总结一下，我们发现了一类新的识别非甲基化CpG基序的结构域，这是继17年前发现的CXXC结构域之外的第二类识别该DNA基序的蛋白结构域。该工作回答了困扰了人们很久的PRC2选择性招募到CpG岛这一重要机理，为进一步研究PCL-PRC2复合物在表观遗传调控中的作用，以及为靶向PRC2相关的癌症提供重要依据。