研究揭示MLL家族蛋白復合物活性調節分子機制

　　中科院上海生科院生化與細胞所國家蛋白質科學中心（上海）雷鳴、陳勇研究組和中科院大連化學物理研究所李國輝研究組在最新的合作研究中，解析了一類重要的組蛋白甲基轉移酶MLL家族蛋白復合物的結構，并闡釋了其活性調控的分子機制。相關研究成果2月18日以長文形式在線發表于《自然》。

　　以基因組DNA和組蛋白的共價修飾為主要標志的表觀遺傳調控研究已成為生命科學前沿快速發展的熱點領域，其中組蛋白甲基化對于基因的轉錄表達起著至關重要的調控作用，相關甲基化修飾酶基因的突變會異常會導致多種遺傳疾病和癌癥。

　　MLL家族蛋白是一類特異性的介導組蛋白H3第4位賴氨酸的甲基化修飾的蛋白酶， 名稱來源于第一個被發現的成員MLL1，因其基因重排所引起的混合譜系白血病(Mixed Lineage Leukemia)而得名。MLL家族蛋白在基因表達調控、細胞增殖、生長發育分化等方面發揮重要作用, 其變異所引起的功能失調會導致細胞的非正常發育或功能喪失，從而引發各種疾病。比如MLL1基因重排在嬰幼兒急性淋巴白血病中的發生率約為70-80%,在成人急性髓系白血病(AML)中的發生率約為5-10%。發生MLL1基因重排引起的白血病惡性程度高，預后差，已成為急性白血病中的一個特殊亞型，世界衛生組織提出將其單列為11q23/MLL白血病。MLL2在結直腸癌和胸腺癌中高表達。MLL3的突變在胃癌、卵巢癌、結直腸癌、膽管癌、肝癌、膀胱移行細胞癌等多種癌癥中被發現。MLL4的突變則在歌舞伎綜合征、先天性心臟等遺傳疾病，腎透明細胞癌、非霍奇金淋巴瘤、前列腺癌、乳腺癌、成神經管細胞瘤等癌癥中廣泛存在。正因為這些MLL家族蛋白在疾病發生發展中的重要作用，這些蛋白及其大分子復合物日趨成為人們感興趣的新靶標。

　　 陳勇研究員表示，MLL家族蛋白正常生物功能的維持依賴于其C末端的一個保守的SET結構域發揮組蛋白甲基化修飾活性，其活性缺失可能是導致各種疾病的重要原因。前人實驗發現，MLL家族蛋白與其他具有SET結構域的甲基化修飾酶不同，它行使功能需要多個輔助蛋白WDR5,RBBP5, ASH2L組成復合體才能有效的完成甲基化修飾過程。由于缺乏原子分辨率的結構，整個復合物如何有效的實現甲基化修飾一直處于爭論之中，MLL家族蛋白是否采用了相同或者不同的活性調控機制也是不得而知。

　　在這項研究中，研究人員成功解析了MLL家族蛋白中一系列蛋白單體及蛋白復合物的結構，包括兩種MLL家族蛋白（MLL1突變體和MLL3）的SET結構域在apo狀態下，與RBBP5-ASH2L形成三元復合物狀態下，以及與底物結合形成活性復合物狀態下的晶體結構。他們發現除了MLL1以外，其他MLL家族蛋白的激活并不依賴于WDR5，RBBP5-ASH2L的異源二聚復合物就能完全激活MLL2/3/4和SET1A/B蛋白。進一步研究揭示了RBBP5-ASH2L異源二聚體是結合和激活MLL家族蛋白的最小結構單元，并且所有的MLL家族蛋白通過一個保守的結合模式和RBBP5-ASH2L相互作用。結構比對發現，RBBP5-ASH2L并沒有引起顯著的MLL SET結構域晶體結構變化，而是限制了MLL中一個相對柔性的SET-I模塊的運動。NMR和分子動力學計算模擬也證實了MLL蛋白溶液結構是高度動態變化的，加入RBBP5-ASH2L能夠顯著的使其結構固定在一種活性構象，這種活性構象有利于底物和輔因子的結合，從而增強了MLL的甲基轉移酶活性。上述成果為深入了解MLL家族組蛋白甲基轉移酶在復合物正確組裝、活性精確調控等方面提供了堅實的結構基礎，這一系列復合物結構也為人類治療MLL亞型白血病提供了新的靶點和線索。

　　據悉，陳勇組四年級研究生黎彥璟是本文的第一作者，中科院上海生科院生化與細胞所國家蛋白質科學中心（上海）雷鳴研究員、陳勇研究員和中科院大連化物所李國輝研究員是本文的共同通訊作者。參與該研究的合作單位和人員包括密歇根大學Yali Dou教授、上海交通大學醫學院張健教授、中國科學技術大學田長麟教授和中科院上海生命科學信息中心李黨生研究員。該研究工作得到中科院戰略性先導科技專項（B類），國家科技部，國家科技重大專項，國家自然科學基金委以及上海市科委基礎研究項目的經費資助。