MYST家族乙酰转移酶HBO1活性调控的分子机制研究

Cell fate determination is the consequence of selective gene expression. Different type of cells with diverse function are generated by accurate epigenetic regulation, that selectively activate or inactivate the expression of specific genes in the process of cell differentiation. MYST family acetyltransferase HBO1 catalyze the acetylation of histone and non-histone substrates and play a critical role in gene transcription and DNA replication in mammalian cells. Abnormal expression of HBO1 can lead to aberrant activation of DNA replication and cell proliferation, and is closely related with the happening of many malignant tumors, including testicular tumor, breast adenocarcinoma, ovarian carcinoma and bladder carcinoma. HBO1 functions as a catalytic subunit in multisubunit complexes comprising a BRPF1/2/3 or JADE1/2/3 scaffold protein, and two accessory proteins ING4/5 and EAF6. HBO1 exhibit different substrate specificity towards chromatin when it functions in multisubunit HAT complex with different scaffold proteins. The HBO1-JADE1/2/3 HAT complex specifically catalyze the acetylation of H4K5/8/12, while the HBO1-BRPF1/2/3 HAT complex can only acetylate H3K14/23. However, how different scaffold proteins in HAT complexes regulate the substrate specificity and activity of HBO1 is not well understood. In this project, we will carry out structural and functional studies of HBO1 histone acetyltransferase complexes to delineate the molecular mechanism of the regulation of the acetyltransferase activity of MYST family acetyltransferase HBO1, using a combination of structural biology, molecular biology, biochemistry and cell biology.

细胞命运决定是基因选择性表达的结果。表观遗传精确调控细胞选择性表达特定基因，产生不同类型和功能的细胞。真核细胞乙酰转移酶HBO1乙酰化多种底物，在基因转录激活及DNA复制方面发挥重要功能。其异常表达会导致异常的DNA复制激活和细胞增殖，与多种恶性肿瘤的发生密切相关。生物体内，HBO1作为催化蛋白与支架蛋白BRPF1/2/3或JADE1/2/3及辅助蛋白ING4/5和EAF6组成多亚基乙酰转移酶复合物。以染色质为底物时，不同支架蛋白调控HBO1具有不同的底物特异性。HBO1-JADE1/2/3复合物主要乙酰化H4K5/8/12位点，而HBO1-BRPF1/2/3复合物主要乙酰化H3K14/23位点。但不同支架蛋白调控HBO1底物特异性和活性的分子机制仍不清楚。本项目将运用多学科技术手段，研究HBO1乙酰转移酶复合物的结构和功能，最终阐明MYST家族乙酰转移酶HBO1活性调控的分子机制。

MYST家族组蛋白乙酰转移酶HBO1在基因转录激活及DNA复制方面发挥重要功能，并与人类疾病特别是恶性肿瘤的发生发展密切相关，其所在乙酰转移酶复合物是潜在的治疗白血病、膀胱癌和生殖细胞肿瘤等恶性肿瘤的分子靶标。近期研究发现，在组蛋白上除乙酰化修饰外，还存在新的短链酰化修饰。目前已发现200多个新型酰化修饰位点，这些性质不同的新型酰化修饰极大地增加了组蛋白修饰的复杂性。但这些新型酰化修饰被建立和去除的生物学功能和分子机制还未被详细阐释，HBO1的组蛋白酰基转移酶活性及其生物学功能尚未被系统地研究和表征。本项目运用分子生物学、生物化学、结构生物学和细胞生物学等方法，开展MYST家族乙酰转移酶HBO1活性调控的分子机制研究。主要研究成果是发现HBO1-BRPF2和HBO1-JADE1/2/3除乙酰化修饰活性外，能够在体外和体内催化包括丙酰化、丁酰化和巴豆酰化在内的新型酰化修饰。发现HBO1是H3K14酰化修饰的关键酶，在活性转录基因的转录起始位点高度富集，并高度酰化修饰转录起始位点的组蛋白，此外，HBO1也在部分DNA复制起始位点富集，可能通过其酰基转移酶活性辅助DNA复制起始的激活。系统地证明了HBO1是一种多功能组蛋白酰基转移酶，揭示了HBO1具有催化多种酰化修饰活性的生物学功能和分子机制。另外，我们对潜在的DNA 6mA甲基转移酶N6amt1-Trm112复合物开展了结构和功能的研究。结构分析和生化实验结果表明N6amt1是一个蛋白质甲基转移酶而不是DNA甲基转移酶。总计解析了7个蛋白质复合物的晶体结构，并将结构信息储存于国际PDB数据库；在国际学术刊物上发表了标注该项目支持的研究论文2篇。培养博士后1名，培养博士研究生毕业1人、硕士研究生毕业1人。