基于Cryo-EM的Bre1与核小体复合物结构解析揭示H2B泛素化分子机制
2023-11-24
组蛋白翻译后修饰在调控真核基因表达中起着核心作用。其中，组蛋白H2B的赖氨酸K123(酵母)或K120(人)的单体泛素化(H2B-Ub)是活跃转录基因的一个重要标志。H2B-Ub能刺激组蛋白H3的甲基化，并招募染色质转录促进因子(FACT)以提高RNA聚合酶的转录过程性。然而，这一关键过程的分子机制，尤其是E3泛素连接酶如何实现对H2B泛素化位点的专一性识别，至今不明。
图1. （a）Bre1结合到核小体的Cryo-EM密度图(状态1)。（b）Bre1和核小体(状态1)之间的界面视图。组蛋白八聚体以电荷密度表现(红色，负电;蓝色，正电)。（c）Bre1-A(状态1)与核小体酸性斑块之间的界面在EM图上的叠加。（d）Bre1-B与DNA的接触(状态1)。Bre1-B的R679和R681到DNA骨架的距离分别为3.4 Å和4.3 Å。（e，f）Bre1在三个状态中位置的俯视图(e)和侧视图(f);在状态3中，Bre1-B的R681到DNA骨架的距离为2.9 Å。
值得注意的是，虽然该酶采用了Bre1-Bre1-Rad6的聚合蛋白设计以增强相互作用，但在获得的Cryo-EM密度图中并未观察到对应的Rad6密度，这主要是由于Rad6与Bre1 RING结构域的弱相互作用所致，考虑到这一已知的结合模式，该结果并不令人意外。但是，这种聚合物的酶活性比分离的Bre1和Rad6组分更高,说明这种连接并不干扰酶的功能。
研究发现，Bre1二聚体以“跨跨坐”的形式位于核小体表面，其中一个RING结构域(Bre1-A)与核小体的酸性区相互作用，而另一个(Bre1-B)则与超螺旋位置6.5的DNA发生作用。Bre1-A RING所采用的与核小体酸性区结合模式，即通过两个精确定位的精氨酸残基R679和R681形成盐桥，在多个复合物中均有观察到，被称为“精确定位螺旋”。而Bre1-B RING结构域相对DNA的位置在三种状态间变化较大(图1d-f)，这主要是Bre1二聚化螺旋区域发生反转导致的。
研究人员进一步根据Bre1同源泛素连接酶蛋白Ubr1的结构，模建了Bre1-A向Rad6提供定向作用的模型(图2)。结果显示，在不同状态下,Rad6-泛素铰链体与H2B-K120赖氨酸之间的距离不同。状态3中对应的距离最小，有利于泛素转移至H2B-K120进行修饰反应(图2b)。而状态1和2下,Rad6采取更远的“准备态”(图2c-e)。这说明Bre1可以使Rad6-泛素处于主动态和准备态的轮换,以调控酶活性。
最后研究人员将其与其它靶向H2A位点的E3泛素连接酶的作用模式进行了比较(图2c-e)。这些酶的第一个RING结构域均通过与核小体酸性区的相互作用招募E2酶；而第二个RING结构域与核小体组蛋白核心区形成不同的相互作用，从而实现对不同substrate的专一性认识。这提示了组蛋白泛素化反应中E3连接酶位点专一性的一般调控机制。
本研究结果揭示了Bre1调控H2B-K123泛素化反应的关键机制,拓宽了我们对染色质修饰及转录调控过程的认识。其对人源同源物RNF20/40的分析，也为后续研究H2B泛素化异常与疾病的内在联系提供了理论基础。
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