清華大學最新Nature發文：NuA4選擇性乙酰化組蛋白H4的機理

　　生物體遺傳信息DNA纏繞組蛋白八聚體1.7圈形成了染色體的基本組成單位——核小體。組蛋白H4的 N端尾巴與臨近的核小體相互作用，促進染色體高級結構的形成以及異染色質沉默。核小體組裝和異染色質形成阻礙了DNA的復制、轉錄以及損傷修復等重要生物學過程。生物體進化出了一系列的機制來克服核小體的阻礙。其中，組蛋白乙酰化修飾中和賴氨酸側鏈的正電荷，并招募其他染色質因子，進而調控染色質折疊、基因轉錄以及DNA損傷修復等過程。

　　2022年10月5日，清華大學生命科學學院/結構生物學高精尖創新中心/清華-北大生命科學聯合中心陳柱成教授與李雪明副教授合作在《自然》雜志在線發表題為“釀酒酵母NuA4乙酰轉移酶復合物結合核小體的結構”（ Structure of the NuA4 acetyltransferase complex bound to the nucleosome）的研究論文，揭示了乙酰轉移酶NuA4結合核小體以及組蛋白H4空間識別的機理，闡明了NuA4作為轉錄共激活因子發揮功能的結構基礎。

　　NuA4和SAGA是釀酒酵母兩個重要的乙酰轉移酶復合物，分別選擇性地乙酰化組蛋白H4和H3，調控基因轉錄。NuA4和SAGA在不同物種中高度保守，前者是酵母生存唯一必需的乙酰轉移酶。作為轉錄共激活因子，二者通過共同亞基Tra1，結合轉錄因子，被招募至啟動子區（圖1a）。因為有基礎性作用，NuA4自發現至今20多年被不斷研究，但其結構研究歷史相當曲折，目前尚不清楚精細的分子組裝模式以及識別底物核小體的機理。

　　陳柱成課題組早期報道了NuA4活性中心Piccolo亞復合物的晶體結構及其結合核小體的低分辨率冷凍電鏡結構。在此基礎上，研究團隊繼續向著NuA4全酶的結構解析進擊。然而，研究人員發現NuA4復合物的結構可塑性非常大，其活性中心結合核小體的部分無法得到穩定構象。這造成高質量結構解析的關鍵技術難點。為了限制復合物結構的柔性，研究團隊在樣品中加入了轉錄因子Gal4-VP16，并在核小體接頭 DNA引入相應的識別DNA序列，作為上游激活信號（UAS）。而且，研究團隊對組蛋白H4K16位點進行CMC（carboxymethyl coenzyme A）化學修飾以及H3K36位點進行三甲基化修飾。CMC結合NuA4的催化中心Esa1，穩定Esa1與核小體的作用；H3K36則結合Eaf3亞基。在突破各種技術難題后，最終解析了NuA4結合核小體的冷凍電鏡結構（8.8 ?），局部分辨率為2.7-3.4 ?。

　　由13個亞基組成的NuA4復合物分為兩個大的模塊 （圖1c）：乙酰化模塊（histone acetyltransferase, HAT）以及轉錄因子結合模塊（transcription activator-binding, TRA）。HAT模塊即為piccolo亞復合物，由Esa1、Epl1的N端區域、Eaf6以及Yng2組成；TRA模塊則由Tra1、Eaf1、Eaf2、Act1、Arp4以及Epl1的C端區域組成。Epl1的一段無序區把HAT模塊與TRA模塊連接在一起。另外，還存在一個“橋型”的結構柔性區。研究人員根據交聯質譜推斷這部分區域為Eaf3/5/7亞基。從這里可以看出NuA4復合物構造的高度可塑性。

　　該結構顯示，攜帶UAS的linker DNA延伸向Tra1亞基表面（圖2a）。研究人員發現該表面在不同物種中高度保守（圖2b），且眾多轉錄因子與Tra1的結合位點均位于該表面內。因此，該保守面被命名為轉錄因子結合面（transcription factor binding surface, ABS）。ABS的發現提供了NuA4被轉錄因子招募至啟動子區域的結構基礎。

　　在ABS外周，研究人員發現一個多堿性氨基酸界面（poly-basic surface, PBS）與核小體的linker DNA相互作用（圖2c）。研究人員通過生化以及遺傳學實驗驗證了PBS的對乙酰轉移活性，以及調控酵母碳源代謝的重要性（圖2d）。

　　催化中心HAT模塊通過兩個關鍵元件結合在核小體盤狀結構表面。其中，Epl1的“arginine anchor”識別核小體的酸性區，“double function loop (DFL)”識別核小體的超螺旋1.5位置處DNA（圖3a, b, c）。該核小體識別模式使得Esa1的活性口袋恰好處在H4 的N端尾巴上方。這個結構在全酶水平支持了H4尾巴空間位置識別機制(圖3b)。該機制區別于常見的基于氨基酸序列識別的組蛋白修飾酶工作機制。

　　綜上所述，該研究揭示了NuA4通過多個結構元件，協調識別核小體的機理（圖1b）。ABS通過轉錄因子，PBS直接結合接頭DNA，招募核小體至TRA模塊邊緣；此構象使得HAT模塊通過DFL和arginine anchor識別核小體的表面，從而發揮選擇性乙酰化H4的功能。TRA模塊與HAT模塊之間的可塑性，使得NuA4能夠適應復雜的染色體環境，被不同轉錄因子招募。除了Eaf5亞基之外，其他亞基在人源TIP60復合物中均存在同源蛋白。因此，該研究對于理解TIP60復合物的組裝及工作機制提供了很好的模型。

　　值得一提的是，該工作TRA模塊的結構被另外三個單獨的NuA4復合物的結構研究所驗證。

　　清華大學生命科學學院陳柱成教授、李雪明副教授為本文共同通訊作者，清華大學生命科學學院2014級博士生瞿珂珂（已畢業）和2017級博士生陳康凈（已畢業）、2017級博士生王皓為該論文共同第一作者。本工作獲得國家自然科學基金、科技部重大科學研究計劃專項、北京市結構生物學高精尖創新中心、清華-北大生命科學聯合中心、國家蛋白質科學研究（北京）設施清華基地的大力支持，國家蛋白質科學研究（北京）設施清華基地冷凍電鏡平臺和計算平臺為數據收集和處理提供了支持。

　　原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05303-x