3月29日，中國科學院生物物理研究所研究員許瑞明與朱冰團隊，在《自然》（Nature）上，在線發(fā)表了題為Basis of the H2AK119 specificity of the Polycomb repressive deubiquitinase的研究論文。該研究解析了人源PR-DUB復合物結合H2AK119泛素化核小體的高分辨率電鏡結構，闡明了PR-DUB特異性去除核小體H2AK119單泛素化修飾（H2AK119ub1）的分子機理。

多梳蛋白（Polycomb group proteins）通過抑制基因表達對胚胎發(fā)育及細胞命運決定等過程起到重要作用，主要包含PRC1、PRC2和PR-DUB等復合物。PR-DUB具有與PRC1相拮抗的酶活性，在核小體底物上特異性地去除組蛋白H2AK119ub1；這一修飾在真核生物中高度保守且含量豐富，在基因沉默及X染色體失活中發(fā)揮重要作用。人源PR-DUB復合物由泛素C端水解酶BAP1和激活其活性的ASXL1/2/3其中之一組成。BAP1是重要的腫瘤抑制因子，與ASXL1在多種人類腫瘤中常發(fā)生高頻突變。雖然近幾年果蠅PR-DUB復合物Calypso/ASX的晶體結構已被解析，但由于缺乏與泛素化核小體底物的復合物結構，限制了科學家對PR-DUB特異性去除H2AK119泛素化分子機制的認知。

研究通過解析PR-DUB結合核小體的3？分辨率的冷凍電鏡結構，發(fā)現(xiàn)BAP1富含正電荷的CTE結構域上的699-706殘基形成一個手指狀結構，識別核小體內環(huán)對稱軸（SHL0）附近DNA磷酸骨架、堿基基團以及組蛋白H3-H4氨基酸殘基。在BAP1的UCH催化結構域上，研究發(fā)現(xiàn)第56-60位的高度保守富含精氨酸序列（RRSRR）與核小體上的酸性區(qū)域相互作用，這種雙位點結合模式將BAP1/ASXL1穩(wěn)定地錨定在核小體盤面上。ASXL1作為激活亞基與BAP1一起構成了完整的泛素結合位點。此外，兩者的結合幫助BAP1 CTE正確定位在核小體上。更重要的是，研究表明，BAP1活性中心遠離常規(guī)的H2AK119位點，泛素與BAP1/ASXL1結合，帶著H2A C端尾巴向核小體盤面翹起，使得H2AK119與泛素C端的共價異肽鍵結合在BAP1的催化中心，清晰地展示了BAP1對于核小體上H2AK119底物特異性的結構基礎?；诮Y構信息，研究設計相關的體外去泛素化酶活實驗和細胞實驗驗證了PR-DUB與核小體相互作用界面的關鍵氨基酸的重要性，明確了激活亞基ASXL1在BAP1酶活調控中的重要作用；在作用界面關鍵區(qū)域選取一些BAP1與癌癥相關的錯義突變進行去泛素化酶活實驗及細胞實驗，發(fā)現(xiàn)了這些突變會造成BAP1酶活不同程度的下降。

綜上，該研究首次解析了組蛋白H2A去泛素化酶與泛素化核小體的高分辨率電鏡結構，且發(fā)現(xiàn)的H2A C端尾巴構象變化揭示了PR-DUB特異性去除H2AK119ub1的分子機制，拓展了科學家對組蛋白H2A去泛素化過程的認知，并為靶向BAP1和ASXL1的潛在藥物設計奠定了重要的結構生物學基礎。

研究工作得到得國家自然科學基金、科技部和中科院的資助。生物物理所蛋白質科學平臺和生物成像中心為靜態(tài)光實驗和電鏡數(shù)據(jù)收集提供了重要支撐。生物物理所李國紅團隊為體外去泛素酶活實驗提供了支持，生物物理所研究員章新政為電鏡數(shù)據(jù)分析提供了幫助，中國科學技術大學教授田長麟指導了泛素化H2A的合成。

論文鏈接

BAP1/ASXL1結合核小體的整體結構