GenesDev解析致癌組蛋白突變引發癌癥的分子機制

　　來自清華大學醫學院李海濤教授課題組7月31日在《基因與發育》(Genes&Development)雜志上發表了題為《Molecular basis for oncohistone H3 recognition by SETD2 methyltransferase》(甲基轉移酶SETD2識別致癌組蛋白的分子基礎）的研究論文。這一工作首次揭示出組蛋白H3致癌點突變（oncogenicmutation）通過抑制甲基轉移酶SETD2的甲基轉移活性導致癌癥發生的結構基礎，為SETD2或致癌組蛋白靶向的藥物設計提供了新思路。

　　表觀遺傳在從基因表達調控到細胞命運決定的眾多生物學過程中發揮著關鍵作用。組蛋白翻譯后修飾是一類重要的表觀遺傳調控機制，被認為構成一類廣義的“組蛋白密碼”，調控著染色質層面的遺傳信息解讀。組蛋白修飾調控因子（如乙酰化和去乙酰化酶，甲基化和去甲基化酶等）異常通常會導致各種人類疾病，尤其是癌癥的發生。近五年來的研究表明，組蛋白自身突變也會導致癌癥。有趣的是，這些突變往往發生在組蛋白的賴氨酸位點或其臨近殘基，比如組蛋白H3第9位，27位和36位的賴氨酸或第34位甘氨酸等。上述組蛋白突變導致癌癥發生的生化、細胞和分子機制是當前表觀遺傳學研究的一個熱點。

　　組蛋白H3第36位賴氨酸到甲硫氨酸（H3K36M）和異亮氨酸（H3K36I）的點突變已經在成軟骨細胞瘤，結腸直腸癌等病人樣本中被發現。H3K36位點能夠被多種甲基化酶修飾，包括NSD1/2/3，ASH1L和SETD2等。其中SETD2能夠在H3K36位點上產生三甲基化修飾（H3K36me3），并在轉錄延伸，RNA剪接和DNA損傷修復等過程中發揮關鍵調節作用。

　　今年五月，美國洛克菲勒大學的C. David Allis教授和梅奧診所的張志國教授分別在《科學》雜志發表論文，發現H3K36M或H3K36I突變可以通過一種“競爭性結合”機制“毒害”SETD2等甲基轉移酶活力，導致細胞內組蛋白H3K36甲基化水平整體降低，進而改變癌癥相關基因表達并誘導癌癥發生。與上述研究互補，發表在《基因與發育》的論文在2.05埃和1.5埃分辨率水平解析了SETD2的催化結構域與H3K36M/I突變多肽的復合物晶體結構，首次揭示出SETD2識別致癌組蛋白突變的結構基礎；同時本研究還結合突變體酶活分析鑒定出組蛋白識別關鍵殘基，并通過競爭性酶活實驗證實了組蛋白H3K36M/I突變體多肽對SETD2的反式抑制（trans-inhibition）活力。

　　在最新這項研究中，研究人員首次捕捉到處于完全開放構象的SETD2催化結構域復合物結構，與之前解析的H3K36甲基轉移酶家族自抑制構象截然不同。有趣的是，在自抑制構象中占據組蛋白H3多肽底物結合口袋的一段環區（loop），在開放構象形成過程中經歷劇烈構象變化，一方面擺出來使組蛋白H3多肽能夠進入底物結合通道，另一方面又以“反平行準β-折疊片層”方式參與了組蛋白H3多肽識別，顯示出這一環區片段的“抑制+識別”的“雙面”（dualistic）功能。

　　同時，復合物晶體結構解析還揭示SETD2的H3K36結合口袋主要由疏水和芳香性殘基組成。其中，H3K36M的甲硫氨酸側鏈與SETD2活性口袋中的Y1666側鏈形成穩定的“硫-芳香環”以及“CH-π”氫鍵相互作用，實現了SETD2催化結構域對H3K36M突變的偏好結合；而對于H3K36I的偏好識別則主要來自疏水作用和CH-π氫鍵作用的貢獻。結構疊合分析揭示H3K36M和H3K36I殘基側鏈具有高度一致的旋轉構象（rotamer），保證了二者在H3K36結合口袋的緊密插入；如果將H3K36突變成與異亮氨酸類似的亮氨酸 (L) ，則會因為亮氨酸側鏈末端的分叉導致空間位阻的產生，進而從結構角度解釋了為什么只有K36M和K36I兩種突變，而不是K36L等其它類型突變能夠抑制SETD2活性，并最終導致癌癥發生。

　　此外，組蛋白H3G34位點的突變（G34R/V/W/L）在神經膠質瘤和成軟骨細胞瘤里也被廣泛發現。晶體結構解析揭示H3G34被深深地包埋在SETD2底物結合通道里，而該通道的高度狹窄性決定了只有甘氨酸這樣沒有側鏈的殘基才能結合，把甘氨酸突變成其它大側鏈殘基（如R/V/W/L）都會導致組蛋白H3不能有效進入底物結合通道，因此不能被SETD2甲基化，呈現出一種順式抑制（cis-inhibition）作用。該發現為闡明H3G34突變致癌的分子機理提供了指導。

　　清華大學醫學院李海濤教授是論文通訊作者，醫學院2012級直博生楊爽為論文第一作者，生命聯合中心博士后鄭向東作為第二作者參與了本項研究。清華大學醫學院李國民教授，洛克菲勒大學教授C.DavidAllis教授及其博士后路超參與了本項研究，并提供指導和協助。本課題得到科技部國家重點研發計劃、教育部自主科研計劃、北京結構生物學高精尖創新中心、清華-北大生命科學聯合中心、生物治療協同創新中心等資助。論文中的放射性酶活實驗得到了生命醫學測試中心同位素平臺李德老師的指導和協助。衍射數據收集得到上海同步輻射光源BL17U線站和結構生物學中心范仕龍博士的大力支持與協助。