作者:雷鸣等 来源:《自然》 发布时间:2016/2/22 14:22:07
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研究揭示MLL家族蛋白复合物活性调节分子机制

 

 
中科院上海生科院生化与细胞所国家蛋白质科学中心(上海)雷鸣、陈勇研究组和中科院大连化学物理研究所李国辉研究组在最新的合作研究中,解析了一类重要的组蛋白甲基转移酶MLL家族蛋白复合物的结构,并阐释了其活性调控的分子机制。相关研究成果2月18日以长文形式在线发表于《自然》
 
以基因组DNA和组蛋白的共价修饰为主要标志的表观遗传调控研究已成为生命科学前沿快速发展的热点领域,其中组蛋白甲基化对于基因的转录表达起着至关重要的调控作用,相关甲基化修饰酶基因的突变会异常会导致多种遗传疾病和癌症。
 
MLL家族蛋白是一类特异性的介导组蛋白H3第4位赖氨酸的甲基化修饰的蛋白酶, 名称来源于第一个被发现的成员MLL1,因其基因重排所引起的混合谱系白血病(Mixed Lineage Leukemia)而得名。MLL家族蛋白在基因表达调控、细胞增殖、生长发育分化等方面发挥重要作用, 其变异所引起的功能失调会导致细胞的非正常发育或功能丧失,从而引发各种疾病。比如MLL1基因重排在婴幼儿急性淋巴白血病中的发生率约为70-80%,在成人急性髓系白血病(AML)中的发生率约为5-10%。发生MLL1基因重排引起的白血病恶性程度高,预后差,已成为急性白血病中的一个特殊亚型,世界卫生组织提出将其单列为11q23/MLL白血病。MLL2在结直肠癌和胸腺癌中高表达。MLL3的突变在胃癌、卵巢癌、结直肠癌、胆管癌、肝癌、膀胱移行细胞癌等多种癌症中被发现。MLL4的突变则在歌舞伎综合征、先天性心脏等遗传疾病,肾透明细胞癌、非霍奇金淋巴瘤、前列腺癌、乳腺癌、成神经管细胞瘤等癌症中广泛存在。正因为这些MLL家族蛋白在疾病发生发展中的重要作用,这些蛋白及其大分子复合物日趋成为人们感兴趣的新靶标。
 
    陈勇研究员表示,MLL家族蛋白正常生物功能的维持依赖于其C末端的一个保守的SET结构域发挥组蛋白甲基化修饰活性,其活性缺失可能是导致各种疾病的重要原因。前人实验发现,MLL家族蛋白与其他具有SET结构域的甲基化修饰酶不同,它行使功能需要多个辅助蛋白WDR5,RBBP5, ASH2L组成复合体才能有效的完成甲基化修饰过程。由于缺乏原子分辨率的结构,整个复合物如何有效的实现甲基化修饰一直处于争论之中,MLL家族蛋白是否采用了相同或者不同的活性调控机制也是不得而知。
 
在这项研究中,研究人员成功解析了MLL家族蛋白中一系列蛋白单体及蛋白复合物的结构,包括两种MLL家族蛋白(MLL1突变体和MLL3)的SET结构域在apo状态下,与RBBP5-ASH2L形成三元复合物状态下,以及与底物结合形成活性复合物状态下的晶体结构。他们发现除了MLL1以外,其他MLL家族蛋白的激活并不依赖于WDR5,RBBP5-ASH2L的异源二聚复合物就能完全激活MLL2/3/4和SET1A/B蛋白。进一步研究揭示了RBBP5-ASH2L异源二聚体是结合和激活MLL家族蛋白的最小结构单元,并且所有的MLL家族蛋白通过一个保守的结合模式和RBBP5-ASH2L相互作用。结构比对发现,RBBP5-ASH2L并没有引起显著的MLL SET结构域晶体结构变化,而是限制了MLL中一个相对柔性的SET-I模块的运动。NMR和分子动力学计算模拟也证实了MLL蛋白溶液结构是高度动态变化的,加入RBBP5-ASH2L能够显著的使其结构固定在一种活性构象,这种活性构象有利于底物和辅因子的结合,从而增强了MLL的甲基转移酶活性。上述成果为深入了解MLL家族组蛋白甲基转移酶在复合物正确组装、活性精确调控等方面提供了坚实的结构基础,这一系列复合物结构也为人类治疗MLL亚型白血病提供了新的靶点和线索。
 
据悉,陈勇组四年级研究生黎彦璟是本文的第一作者,中科院上海生科院生化与细胞所国家蛋白质科学中心(上海)雷鸣研究员、陈勇研究员和中科院大连化物所李国辉研究员是本文的共同通讯作者。参与该研究的合作单位和人员包括密歇根大学Yali Dou教授、上海交通大学医学院张健教授、中国科学技术大学田长麟教授和中科院上海生命科学信息中心李党生研究员。该研究工作得到中科院战略性先导科技专项(B类),国家科技部,国家科技重大专项,国家自然科学基金委以及上海市科委基础研究项目的经费资助。(来源:科学网 黄辛)
 

 

 
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