新型组蛋白分子伴侣的结构与功能研究

Histone chaperones participate in all aspects of DNA biology (transcription, replication and repair) by performing a vital function in regulation of the chromatin assembly process. Alterations or mutations of histone chaperones may promote development of human disease, such as cancer. Histone chaperones regulate multiple aspects of histone metabolism, such as histone storage, transport, post translational modifications, nucleosome assembly and histone turnover. Moreover, multiple histone chaperones usually function together in a network to regulate histone metabolism precisely. Different groups of histone chaperones have low or no sequence similarity, and their structural and functional properties are distinct. However, the structures of most of them are still unknown. Further investigations are needed to uncover the relationships between their structures and functions in different cellular processes. We focus on identification of novel histone chaperone networks and study their structures and functions. We have already found a novel histone chaperone, which forms a network with MCM2 to co-chaperone H3-H4. Furthermore, we have already determined the crystal structure of its histone binding domain in complex with H3-H4 and MCM2. Subsequent experiments are ongoing.

组蛋白分子伴侣影响着DNA的复制、转录以及损伤修复。细胞内组蛋白分子伴侣活性的失调（表达水平失调或者突变）可以与癌症等一些疾病的发生相关。目前发现的组蛋白分子伴侣有数十种，它们分别参与组蛋白代谢反应的不同阶段和过程，同时多个组蛋白分子伴侣可以共同作用于一个组蛋白底物，作为组蛋白分子伴侣作用网络来精确地调节组蛋白的代谢。这些组蛋白分子伴侣的一级序列同源性很低，三级结构的相似性也很低，目前对它们中的大部分还缺乏结构的阐述，也缺少对结构与功能关系的了解。我们着力于鉴定并研究新的组蛋白分子伴侣作用网络的结构与功能。目前我们已经鉴定出了一个新型的H3-H4组蛋白分子伴侣，它和MCM2（一个研究较为清楚的组蛋白分子伴侣）形成组蛋白分子伴侣作用网络，协同调节H3-H4的代谢。我们已经解析了其与H3-H4以及MCM2的复合物晶体结构，后续的相关实验正在进行中。

组蛋白伴侣的结构与功能研究是表观遗传领域的热点之一。组蛋白是核小体的组成成分，它们是富含碱性氨基酸的蛋白质，在其整个代谢过程中，都可能非特异性地结合DNA或者RNA。组蛋白伴侣通过特异性地识别组蛋白的功能界面，防止其与细胞中的其他组分发生非特异性的结合。组蛋白伴侣在组蛋白的折叠、翻译后修饰、储存与降解、传递与回收、核小体的组装与去组装等过程中精细地调控组蛋白的代谢行为，因此组蛋白伴侣在基因的合成、转录、损伤修复等过程中发挥着重要的调控作用。HSP70是一种非常重要的伴侣蛋白质，它由N端的ATP酶结构域，以及C端的底物结合结构域组成。HSP70在细胞内起着稳定蛋白的部分折叠或展开状态的作用，它阻止未折叠的蛋白发生聚集，或者将它结合的蛋白质转移到下游的伴侣蛋白质对之进行进一步稳定或者降解。之前的研究表明，HSP70参与组蛋白H3-H4的折叠与降解过程，然而并未发现关联这一过程的关键蛋白质。本项研究中通过质谱组学、体外生化等实验鉴定出了这一关键蛋白质DNAJC9。它的的N端含有J结构域，它可以促进HSP70的ATP水解，进而稳定HSP70对底物的结合。它的C端编码的是组蛋白H3-H4结合结构域，它可以和组蛋白伴侣MCM2、TONSL共同识别组蛋白H3-H4。我们进一步解析了DNAJC9/H3-H4/MCM2四元蛋白复合物的晶体结构，DNAJC9结合H3-H4二聚体，主要识别H3的alpha2螺旋。基于结构分析的组学实验进一步得出如下结论：1. DNAJC9通过招募HSP70调控组蛋白H3与H4折叠成H3-H4二聚体。2. DNAJC9招募HSP70使得H3-H4进入组蛋白合成后的下游供应链。3. 如果DNAJC9招募HSP70的功能得到破坏，它会无差别的富集在整个染色体上，并伴随着组蛋白H3-H4以及DNA复制与转录相关的组蛋白伴侣等因子的富集，这表明DNAJC9通过招募HSP70可以将组蛋白H3-H4从因其非正确折叠而与其他因子形成的复合物中释放出来，保证组蛋白H3-H4在DNA的复制与转录过程中能够正确的传递与回收。综上所述，DNAJC9招募了分子伴侣HSP70进入组蛋白伴侣通路，并在组蛋白的折叠、DNA的复制以及转录过程中发挥功能。DNAJC9将两套伴侣蛋白质通路关联在一起，这是一个很新颖的发现。