“異”曲同工之妙：李海濤/孫前文/李丕龍課題組合作發(fā)文報導一類全新植物異染色質蛋白... 時間：2018-11-15
2018年11月13日，清華大學醫(yī)學院李海濤課題組攜手生科院孫前文課題組、李丕龍課題組在Cell Research雜志在線發(fā)表題為“Plant HP1 protein ADCP1 links multivalent H3K9 methylation readout to heterochromatin formation”（植物HP1蛋白ADCP1關聯(lián)多價態(tài)組蛋白H3K9甲基化識別并介導異染色質形成）的合作研究成果，發(fā)現(xiàn)一類植物特有的新型組蛋白甲基化閱讀器ADCP1，并確定其為動物HP1（Heterochromatin Protein 1，異染色質蛋白1）功能同源蛋白，揭示出其在植物異染色質維持和轉座子元件沉默中的作用，彰顯了不同生命界中表觀機制的復雜性和保守性。??
圖1.ADCP1識別組蛋白H3K9me2修飾介導異染色質形成
HP1是一類從裂殖酵母到人都保守存在的異染色質蛋白，它含有一個識別組蛋白H3K9甲基化修飾的chromo結構域和一個能自身二聚并介導與其他蛋白互作的chromoshadow結構域，在組成型異染色質形成和維持過程中發(fā)揮著重要作用。令人吃驚的是，如此重要的表觀因子在植物中卻未見報導。擬南芥中，HP1序列同源蛋白LHP1主要識別組蛋白H3K27甲基化修飾，從功能上發(fā)揮了類似于動物中多聚梳（Pc）家族成員（主要調控兼性異染色質形成）的作用。那么植物中是否真正存在與動物HP1功能類似，通過識別組蛋白H3K9甲基化來調控異染色質功能的蛋白呢？圍繞這一科學問題，李海濤課題組及合作者曾相繼開發(fā)了基于表面等離子體激元共振成像（SPRi）的微陣列篩選平臺 (Zhao et al., PNAS 2017) ，并對擬南芥中潛在的閱讀器結構域進行了系統(tǒng)表征 (Zhao et al., Cell Rep 2018) 。在最新的工作中，研究人員基于SPRi平臺篩選出一類識別H3K9甲基化并且為植物所特有的串聯(lián)Agenet結構域蛋白：ADCP1 (Agenet Domain-Containing Protein 1)，發(fā)現(xiàn)ADCP1雖然與動物HP1不存在序列同源性，但其對于組蛋白的識別性質、結構基礎、異染色質功能調控和相分離行為等都與動物HP1有著高度相似性，呈現(xiàn)出一種功能同源的趨同進化分子設計。
ADCP1本身是一個三重串聯(lián)Agenet結構域蛋白，在植物中高度保守并且廣譜表達?；赟PRi篩選并結合等溫量熱滴定（ITC）實驗，研究人員確定了ADCP1的三個串聯(lián)Agenet結構域都是位點特異性的H3K9me2（組蛋白H3賴氨酸9二甲基化）修飾閱讀器并且可以被臨近的H3S10ph（組蛋白H3絲氨酸10磷酸化）修飾破壞結合。通過修飾多肽復合物晶體結構解析，研究人員闡明了ADCP1識別組蛋白H3K9me2的分子基礎，并開展了突變體實驗完成了驗證。在解析的復合物晶體結構中，ADCP1串聯(lián)Agenet結構域呈現(xiàn)出一種獨特的整體折疊和多肽識別模式（圖1）。其中每個串聯(lián)Agenet結構域中的兩個Agenet單體以“頭碰頭”方式擁簇堆積，并借由一段氨基端α螺旋、一對羧基端β折疊片和一段鏈接兩個Agenet單體的脯氨酸loop所構成的疏水簇底座而穩(wěn)定。組蛋白H3（1-10）多肽結合在遠離疏水簇底座的酸性表面，其中H3K9me2插入到第二個Agenet結構域的“芳香籠”（aromatic cage）被識別，而非修飾的H3K4插入到第一個Agenet結構域的酸性口袋被識別，同時H3多肽的4-7區(qū)段被誘導形成一小段α螺旋在兩個Agenet結構域接觸面處參與識別。ADCP1對H3K9me2的識別依賴于組蛋白H3K4及更近氨基末端的序列，而H3K9和H3K27臨近且保守的“ARKS”基序未參與關鍵識別，因此ADCP1對于H3K27位點完全沒有結合力，進而解釋了ADCP1對H3K9me位點識別的特異性。
在接下來的工作中，研究人員用免疫熒光染色和ChIP-seq實驗在植物體內證實了ADCP1與異染色質H3K9me2共定位（圖1）。ADCP1富集在著絲粒旁區(qū)異染色質及常染色體臂的異染色質補丁區(qū)等，偏好富集于較長的轉座子（>4kb），尤其是Gypsy LTR逆轉座子等。隨后，通過觀察adcp1突變體以及瞬時超表達ADCP1到原生質體的細胞核染色中心（chromocenter）凝聚狀態(tài)，研究人員發(fā)現(xiàn)ADCP1對異染色質染色中心的形成至關重要，它的缺失或者過量表達都會造成染色中心的解聚或彌散，且該過程依賴于對H3K9me2的識別。進一步的研究發(fā)現(xiàn)adcp1突變體中H3K9me2以及CHG/CHH甲基化水平顯著下降，并且激活了一些轉座子的表達。綜上所述，研究人員在擬南芥中的功能研究表明ADCP1是一類重要的植物HP1家族成員，對于異染色質形成、H3K9me2和CHG/CHH甲基化維持，以及轉座子沉默是必不可少的。
ADCP1內在的多價態(tài)H3K9甲基化識別能力及其在異染色質調控功能方面與動物HP1的相似性暗示其可能同樣具備介導異染色質相分離能力。相分離現(xiàn)象是生物體內觀察到的一類重要的生物物理現(xiàn)象，在諸多重要的生物學事件中發(fā)揮著重要調控功能，是當前生命科學領域的一個重要理論突破。多價態(tài)識別是相分離發(fā)生的重要物理化學基礎，由于帶有修飾的核小體念珠串是天然的多價態(tài)分子，而組蛋白修飾閱讀器也可以以高價態(tài)的狀態(tài)存在，因此染色質很可能在體內發(fā)生相分離的現(xiàn)象。近期在果蠅細胞和哺乳細胞中都有觀測到異染色質發(fā)生相分離的現(xiàn)象，而HP1這一蛋白在該過程中發(fā)揮了重要的支架成核作用 (Larson et al., Nature, 2017; Strom et al., Nature, 2017)。在本工作中，研究人員發(fā)現(xiàn)ADCP1具有內在自分相能力，并且通過構建具有H3K9甲基化修飾的多聚核小體串，證實了ADCP1以H3K9甲基化依賴的方式介導多聚核小體串相分離的能力（圖2）。進一步，研究人員還證明這種H3K9甲基化依賴的相分離發(fā)生可以被H3S10ph修飾破壞，提示了一種異染色質分相的“二元開關”負調控機制。
圖2.ADCP1介導H3K9甲基化多聚核小體串相分離
總體而言，雖然序列不同源，植物ADCP1表現(xiàn)出諸多與動物HP1的功能同源之處：1）同屬于“皇室家族”結構域成員；2）特異識別H3K9me修飾而不識別H3K27me3修飾；3）H3S10ph都會破壞與H3K9me的結合；4）都通過“芳香籠”實現(xiàn)對賴氨酸甲基化的識別；5）均具備多價態(tài)識別依賴的異染色質分相能力；6）均可靶向組成型異染色質并介導轉座子沉默。因此，本研究認為ADCP1發(fā)揮了多年來一直未被發(fā)現(xiàn)的植物HP1的功能，對植物異染色質形成和維持發(fā)揮著重要調控作用?？紤]到ADCP1及其同源蛋白在植物中的高度保守性，本工作為ADCP1及其同源蛋白在其他植物，尤其是轉座子元件比例更高的水稻、玉米等戰(zhàn)略經濟作物的基礎與應用研究提供新的切入點和方向。
清華大學醫(yī)學院李海濤教授與生科院孫前文研究員、李丕龍研究員為本文的共同通訊作者。清華大學趙帥博士及博士生程玲玲、郜一飛、張柏超為本文共同第一作者。李海濤研究組負責完成了ADCP1的鑒定與分子機制解析工作，孫前文研究組負責完成了植物功能實驗，李丕龍研究組主導完成了相分離實驗。清華大學醫(yī)學院博士后鄭向東及博士生王亮在相分離實驗部分做出重要貢獻。本課題得到科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委、清華-北京生命聯(lián)合中心、北京市結構生物學高精尖創(chuàng)新中心和清華大學自主科研基金的經費支持。數(shù)據(jù)收集與儀器設備得到上海同步輻射光源與“鳳凰工程”北京蛋白質基礎設施的大力支持與協(xié)助。
◎論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41422-018-0104-9
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