在真核生物中,遗传物质DNA与组蛋白包装成染色质。组蛋白上(尤其是其氨基端尾巴上)能发生多种多样的翻译后修饰,比如赖氨酸的乙酰化和甲基化。这些修饰组成了所谓的组蛋白密码,能够提供DNA序列之外的遗传信息。不过这些组蛋白密码要发挥作用,需要有效应蛋白的特定结构模块来识别。通过这些“读码器”对特定密码的读取和对特定效应蛋白的招募,进而调节染色质的结构、组装等,影响诸如转录、DNA复制、修复等细胞活动。本文分为两部分,第一部分研究一个组蛋白乙酰转移酶MOZ/MORF复合物中支架蛋白BRPF2的一个PHD锌指与非修饰的组蛋白H3之间的相互作用;第二部分研究一个转录抑制辅因子BS69蛋白中的串联Bromo-PWWP结构域识别组蛋白密码的结构基础。1、BRPF2的PHD1锌指这些翻译后修饰是通过特定的酶催化反应完成的。比如组蛋白乙酰转移酶负责催化赖氨酸上的乙酰化。单独的组蛋白乙酰转移酶在体外实验中往往底物特异性不高。事实上,在体内这些酶总是与多个蛋白质结合以复合物形态存在,在特异性、酶活效率等方面都受到这些亚基的调节。MOZ/MORF即是一对同源性很高的组蛋白乙酰转移酶。它们对造血系统、骨骼、神经等的发育有很重要的影响;并且在急性髓质白血病患者中,它们往往与其他蛋白发生融合,提示它们的异常可能与这些疾病有关。MOZ/MORF在体内与BRPF1/2/3、ING5、EAF6等蛋白形成复合物,其中BRPF蛋白发挥支架和桥梁作用,对维系整个复合物至关重要。除此之外,BRPF蛋白中还含有两个PHD锌指,一个Bromo结构域和一个PWWP结构域。尽管很多文献报道表明这些结构域都与染色质相关,但具体在BRPF蛋白中的作用并不明确。为此,我们进行了一系列研究并得到以下结论:(一)BRPF2的第一个PHD(PHD1)能够结合组蛋白H3,并且这种结合能被H3K4位点的甲基化所拮抗;(二)利用多维NMR波谱解析了PHD1在自由状态和结合H3(1-12)的多肽状态下的结构;(三)结构分析表明主要是H3的靠近氨基端的7个残基参与相互作用,并且这种相互作用的特异性主要是通过对多肽的N末端氨基、R2、K4、T6的识别;(四)PHD1的主链弛豫数据表明,结合组蛋白多肽后其局部区域的结构钢性得到增强;(五)NMR化学位移扰动实验或者ITC实验表明,组蛋白H3上的某些翻译后修饰,比如H3R2me2s、H3T3ph、H3K4me、H3K4ac、H3T6ph都能拮抗其与PHD1之间的相互作用。(六)细胞内的ChIP实验表明,尽管BRPF2有多个结合组蛋白的结构域,其中PHD1对它强化在靶基因的染色质上的结合仍然是很重要的。生物信息学分析表明,这个PHD1锌指在酵母NuA3复合物、人的HBO1复合物中高度保守,因此,我们的研究结果对加深对这些复合物的认识也有帮助。2、BS69的串联Bromo-PWWP结构域BS69是一个转录抑制蛋白。相应的,BS69能结合一系列的转录因子和一些调节染色质结构的蛋白,包括组蛋白甲基转移酶EZH2、组蛋白去乙酰酶HDAC1和染色质重构复合物中的Brg1蛋白。不过这些相互作用都发生在BS69的羧基端部分,尤其是其中的MYND结构域能识别一系列蛋白中的PXLXP基序。在BS69的氨基端部分,存在一个串联的PHD-Bromo-PWWP结构模块。关于这一模块知之甚少。为此,我们用X射线晶体衍射的方法,解析了其中的Bromo-PWWP模块的结构。结构分析表明,其中的Bromo结构域和PWWP结构域都具有其典型的结构特征。意外的是,这两个结构域之间的残基折叠成一个C3H型锌指,并且具有罕见的手性。这些结构域(Bromo、锌指、PWWP)之间,存在着广泛的相互作用,使得整个结构模块折叠成一个整体,互相不可分开。尽管很多蛋白的Bromo结构域识别乙酰化的组蛋白赖氨酸,我们的NMR滴定实验尝试的几个乙酰化多肽都与BS69之间没有观察到相互作用。从结构上来看,可能是一些识别乙酰化赖氨酸的关键残基在这里发生了变异。其中的PWWP结构域仍然具有其他PWWP中保守的三个芳环组成的口袋。但到目前为止,我们仍然没有找到BS69识别的组蛋白密码。总之,我们的结构对进一步探索BS69的功能提供了有价值的线索。研究表明,多种组蛋白翻译后修饰可以同时共同存在于同一个组蛋白或者核小体上,这就提供了一个平台供多个组蛋白密码识别结构域协同作用来准确读取这一密码。不过各个结构域结合组蛋白时所扮演的角色可能并不都是相同的,比如,有的参与特异性的招募适当的下游效应蛋白,而有的则可能只是加强效应蛋白与染色质底物之间的结合。同时,这种多元的相互作用提供了一种很好的机制,使得效应蛋白既可以牢固的结合在染色质上,同时一旦信号通路收到不同的刺激,可以比较容易地进行动态调整。具体到每个效应器复合物而言,其中各个组蛋白密码读取器的功能需要具体研究,不能一概而论。