研究揭示核小體乙酰轉移酶NuA4的動態機制

　　組蛋白乙酰化是重要的表觀遺傳修飾。組蛋白乙酰轉移酶在染色質結構、基因轉錄調控和DNA損傷修復過程中發揮重要作用。通常，表觀遺傳調控中的大部分組蛋白修飾酶具有位點特異性，即一種修飾酶只對組蛋白尾部的某個特定殘基進行修飾。但有研究發現，較多組蛋白乙酰轉移酶可以修飾多個位點。例如，核小體乙酰轉移酶NuA4是酵母體內唯一必需的乙酰轉移酶。NuA4可對組蛋白H2A、H2A.Z和H4 N端多個賴氨酸殘基進行乙酰化修飾。目前，尚不清楚組蛋白乙酰轉移酶對核小體上不同組蛋白的多個氨基酸殘基進行修飾的過程與機制。

　　piccolo NuA4（pNuA4）復合物由Esa1、Yng2、Eaf6和Epl1等亞基構成，是NuA4復合物中維持乙酰轉移酶活性并對底物進行乙酰化修飾的基本結構模塊。中國科學院生物物理研究所朱平研究組聯合物理研究所朱洪濤與陸穎研究組，研究了pNuA4在乙酰化含H2A.Z的核小體中不同底物賴氨酸時的冷凍電鏡結構。該研究借助冷凍電鏡三維重構技術，解析了pNuA4在乙酰化組蛋白H4和H2A.Z過程中多個不同狀態下乙酰轉移酶pNuA4-核小體復合物的結構。

　　研究發現，在識別同時含有H4和H2A.Z的核小體底物時，pNuA4優先識別組蛋白H4的賴氨酸底物。當pNuA4尋找到合適的底物并準備進行乙酰化時，Epl1亞基中的N端loop發揮類似“錨”的作用，使pNuA4的催化亞基Esa1能夠穩定錨定在核小體盤面上，從而對H4的底物賴氨酸進行乙酰化修飾。

　　進一步，研究利用單分子共振能量轉移實驗，剖析pNuA4進行核小體上不同組蛋白的乙酰化動態過程。研究發現，當pNuA4與含有H4和H2A.Z的核小體結合時，以較大概率靠近組蛋白H4并對其賴氨酸底物進行乙酰化。在完成組蛋白H4的底物的乙酰化后，pNuA4繼續尋找其他組蛋白底物并完成其乙酰化。由于pNuA4底物具有多樣性，為獲取pNuA4準備乙酰化H2A.Z的狀態，研究將組蛋白H4的4個賴氨酸位點突變為谷氨酰胺，以此模擬H4的乙酰化狀態。三維分類分析發現，在其中一類結構中，pNuA4以完全不同的構象與核小體結合，此時pNuA4中Esa1的催化中心更接近H2A.Z。在pNuA4-H2A.Z核小體反應體系中加入乙酰輔酶A并啟動乙酰化過程后，研究觀察發現，在對核小體上所有H4和H2A.Z底物的乙酰化過程完成后，pNuA4重新定位到H4附近，并準備進行下一輪對其他核小體的乙酰化過程。也就是說，在染色質纖維層面，pNuA4逐步完成對不同核小體的乙酰化過程，使目標DNA結構變得松散，以促進基因的轉錄過程。

　　上述研究揭示了酵母中pNuA4對底物核小體進行乙酰化的完整過程，明確了pNuA4乙酰化多個賴氨酸底物的具體機制，展現了pNuA4在乙酰化核小體過程中的動態順序與結構模型。這一成果有助于科研人員更深入地探討組蛋白乙酰化的完整過程及其對基因轉錄調控的作用機制，有望為相關疾病治療提供新思路。

　　3月18日，相關研究成果以Cryo-EM structures reveal the acetylation process of piccolo NuA4為題，在線發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項（B類）等的支持。

pNuA4乙酰化H2A.Z核小體上不同底物的過程示意圖