吉林大学第一医院、吉林大学未来科学国际合作联合实验室曾雷课题组在《Nature Communications》发表研究成果

染色质组蛋白乙酰化是激活基因表达的重要驱动之一。p300/CBP是关键的组蛋白乙酰化转移酶，但令人费解的是，当p300/CBP到达染色质时，其通常处于一种“自我抑制”的蛋白结构构象，尚不具有乙酰化修饰组蛋白的催化活性。然而在肿瘤中，是什么“开关”机制启动了p300/CBP的活化，进而导致异常水平的组蛋白乙酰化和癌基因转录调控，科研人员尚不十分清楚。2023年1月，吉林大学第一医院、吉林大学未来科学国际合作联合实验室曾雷课题组在《Nature Communications》发表论文“Structural Mechanism of BRD4-NUT and p300 Bipartite Interaction in Propagating Aberrant Gene Transcription in Chromatin in NUT Carcinoma”，在分子结构水平解析了BRD4-NUT双重结合p300在染色质上扩增基因转录的作用机制。吉林大学第一医院博士研究生喻笛和梁莹莹为论文共同第一作者，通讯作者曾雷，吉林大学第一医院为第一署名单位。美国纽约市伊坎-西奈山医学院Ming-Ming Zhou为共同通讯作者。

NUT癌（NC）一种罕见的高度侵袭性恶性肿瘤。由于NUT癌细胞中NUTM1基因重排，与配体基因BRD4等融合，形成一种致癌的BRD4-NUT融合蛋白，从而驱动p300/CBP激活所介导的组蛋白超乙酰化和基因表达紊乱。吉大一院研究人员通过GST-pulldown（图1a）和核磁共振（NMR）亲和力滴定实验（图1b），首次发现BRD4-NUT融合蛋白中的NUT部分包含了两个串联的反式激活域（TAD），其均能有效地结合p300蛋白的TAZ2结构域。研究人员利用NMR技术解析了TAZ2与BRD4-NUT中TAD多肽的蛋白质分子复合结构，发现TAD1和TAD2的结合基序，均形成a-螺旋折叠，并通过残基疏水基团之间的作用，结合到p300的四螺旋束TAZ2结构域中（图1c）。对比转录因子p53和p63结合p300的TAD关键氨基酸基序，BRD4-NUT的TAD1和TAD2作用机制和结合序列均呈保守一致（图1d），显示其功能上与转录因子的潜在相关性。

在细胞核内，融合蛋白BRD4-NUT能够与p300，组蛋白H3乙酰化赖氨酸K27ac和K18ac，转录辅助因子BRD4L和BRD4S形成液态共凝聚物（图2a、b）。然而，研究人员删除了BRD4-NUT中单个或者两个TAD后，发现删除突变体BRD4-NUT-DTAD1（或者-DTAD1、-DTAD1/2）明显降低与p300、H3K27ac和H3K18ac等在细胞核内的共凝聚（图2a、b），说明BRD4-NUT依赖于其串联TADs协同地双重结合p300，在形成共凝聚物的过程中发挥增强作用。通过细胞内（图2c）和体外乙酰化（图2d）实验，研究人员证实，野生型BRD4-NUT能够促进p300的自身乙酰化和自激活，并增加组蛋白赖氨酸乙酰化水平（图2c、d）。然而，如果删除单个或者串联的两个TAD，删除突变体BRD4-NUT-DTAD1（或者-DTAD1、-DTAD1/2）均未见增加p300催化活性和组蛋白乙酰化水平（图2c、d）。由于多种转录因子均包含进化上保守的两个串联TADs，因此研究人员进一步开展了转录因子p53的细胞内和体外乙酰化实验。他们发现，删除单个或者串联TAD后，突变体p53-DTAD1（或者-DTAD1、-DTAD1/2）未见增加p300自身乙酰化、p53乙酰化和组蛋白乙酰化水平。这些研究数据表明，BRD4-NUT中所包含的串联的TADs，在结合p300的TAZ2结构域时，形成a-螺旋折叠且可以分别作用两个p300分子。这种空间上双重协同结合p300可能改变了p300蛋白的TAZ2结构域自身抑制HAT结构域的空间构象，增加p300自身乙酰化水平，从而促进p300自身激活和组蛋白乙酰化，扩增基因转录调控。同样，转录因子p53通过串联TADs双重协同作用p300，能提高p300和p53自身乙酰化和激活，进而催化组蛋白乙酰化修饰。因此，这种以前缺乏认识的“开关”机制，基于BRD4-NUT双重结合及招募p300的活化模式，具有调控基因表达的广泛意义，为理解肿瘤细胞如何实现空间特异的基因激活机制提供了新方向。

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来源丨科研部

编发丨宣传统战办公室