生命中心PI李海涛研究组利用SPR成像蛋白微阵列等技术系统表征拟南芥表观遗...

生命中心PI李海涛研究组利用SPR成像蛋白微阵列等技术系统表征拟南芥表观遗传互作并探究动植物“组蛋白密码”识别模式保守性

1月23日，生命中心PI李海涛研究组在细胞子刊《Cell Reports》发表题为“Systematic Profiling of Histone Readers in Arabidopsis thaliana”（拟南芥组蛋白阅读器的系统表征）的研究论文，综合利用表面等离子体共振成像（SPRi）蛋白微阵列、等温量热滴定、热迁移、晶体结构解析等技术系统表征拟南芥组蛋白“阅读器-修饰”识别对，并探究了动植物在“组蛋白密码”识别模式上的进化异同性。

真核生物基因表达调控不仅依赖于特定的DNA 序列元件，而且还受到特定组蛋白翻译后修饰的精密调节。目前鉴定出的组蛋白修饰化学类型已超过30种，包括甲基化，酰基化，磷酸化等。这些化学修饰类型叠合修饰位点信息所构成的组蛋白标记（histone mark）超过了400多种，被认为构成一类广义上的“组蛋白密码”，调控着染色质层面的遗传信息解读。组蛋白修饰密码的解读离不开一类被称作“阅读器”（reader）的表观调控元件。目前人们对动物中组蛋白“阅读器”元件有了较为广泛而深入的研究；相比之下，植物中“阅读器”元件的类型和识别模式仍缺少一些系统研究，动植物中组蛋白识别模式的进化异同性有待深入探讨。

在新发表的工作中，李海涛研究组成功制备了9类（PHD、Tudor、Chromo、PWWP、BAH、14-3-3、BRCT、Brom、CW-Zf）共204个来自拟南芥的潜在“阅读器”模块，把其点样在三维抗GST标签的SPRi芯片上构建成蛋白微阵列，通过Plexera高通量表面等离子体共振成像仪对11种组蛋白多肽（包括组蛋白H3K4、H3K9、H3K27、H3K36、H4K20甲基化，以及H3S10磷酸化和H4K5K8乙酰化等）进行了结合表征。随后通过等温滴定量热（ITC）和热迁移（TSA）等实验，研究人员核实了多组新型组蛋白“阅读器-修饰”识别对；其中转录调控因子EML1和损伤修复因子MSH6的单Tudor结构域识别H3K4me3修饰为植物所特有，在动物中并未发现类似识别对。接下来，研究人员以AL家族的PHD锌指结构域为例，通过结构解析和结合实验阐明了AL家族成员对于组蛋白甲基化修饰位点和修饰程度特异性识别的分子基础。最后，研究人员通过等温滴定量热实验，对代表性识别对的组蛋白修饰组合识别模式（如亲和效应、容忍效应和开关效应）进行了定量鉴定和表征。

本研究工作主要取得如下三个亮点成果或结论：

1) 开发和验证了“SPRi蛋白阵列高通量筛选—定量验证（ITC、TSA）—复合物结构解析”的表观遗传互作研究模式；

2）动植物中组蛋白阅读器模块在结构域设计和分子识别机制上存在高度保守性；

3）尽管分子识别机制类似，植物会进化出特有的组蛋白“阅读器-修饰”识别对以适应植物表观遗传调控的复杂多样性需要；

生命中心PI李海涛教授为本文通讯作者，李海涛课题组博士生赵帅和生命中心博士生张柏超为文章共同第一作者。合作者中科院国家纳米科学中心朱劲松研究员及课题组博士生杨墨为SPRi表面构建及数据采集提供了大力协助。本项目得到科技部重点研发计划、自然科学基金委国家杰出青年基金、清华大学自主科研计划、北京结构生物学高精尖创新中心、生命科学联合中心等资助。仪器设备使用得到“凤凰工程”蛋白质基础设施（清华）支持，衍射数据收集得到上海同步辐射光源 BL17U1 线站的大力支持与协助。

论文链接：http://www.cell.com/pb-assets/journals/research/cell-reports/slider/Li.pdf 或https://doi.org/10.1016/j.celrep.2017.12.099