布氏锥虫中参与基因转录调控的PAF1复合物的结构和功能研究

Eukaryotic gene transcription regulation is extremely complex in space and time. Any defect of transcription process is closely related to a variety of diseases. Many protein complexes have been reported during the study of transcription regulation, PAF1C (RNA polymerase II associated factor 1 complex) is such a complex discovered recently. PAF1C, contains at least 5 subunits. It participates in gene transcription regulation cooperatively with other transcription factors and histone modification enzymes. Trypanosomatids, the causative pathogens of trypanosomiasis, are a group of unicellular protozoa. The compositions of PAF1C of Trypanosoma brucei (T. brucei) is not fully conserved with that from higher eukaryotes, which may imply species-specific regulation pathway of gene transcription. Here, we are trying to explore the structure of PAF1C and its role in gene transcription regulation in T. brucei, by combining the techniques of structural biology and cell biology. This study will not only enrich our knowledge of PAF1C’s role in transcription regulation in T. brucei, but also has important implications for our understanding of the evolution of eukaryotic PAF1 complex and gene transcription regulation.

真核生物基因转录的调控在时间和空间上都具有很高的复杂度，细胞内基因转录调节的异常与各类疾病密切相关。在研究转录调节的过程中，大量RNA聚合酶相关蛋白复合体被报道，其中PAF1复合物（RNA polymerase II associated factor complex, PAF1C）就是最近发现的一种。PAF1复合物含有至少 5个不同的蛋白亚基，能够协同其他的转录因子及组蛋白修饰酶来调控转录过程。锥虫是一类单细胞真核原生生物，能够引起多种锥虫病。目前在布氏锥虫属中发现的PAF1复合体组成与高等真核生物不完全保守，可能暗示了布氏锥虫特有的基因转录调节方式。本项研究将结合结构生物学和细胞生物学方法，研究布氏锥虫中PAF1复合物的结构及其在基因转录调控中的作用。本研究不仅将丰富我们对布氏锥虫PAF1复合物和基因转录调控的认识，对于我们了解真核生物PAF1复合物和基因转录调控的进化也具有重要意义。

布氏锥虫是一类单细胞寄生性原生生物，目前作为模式生物用于研究各种生物进程的进化过程。PAF1复合体是近年来发现的转录起始及延伸的重要蛋白复合物，最近的研究发现PAF1在DNA损伤修复，组蛋白修饰方面都有重要作用。然而布氏锥虫中是否存在PAF1复合物，其功能是否保守等都还是未知。本项目围绕布氏锥虫PAF1复合体及与其相关的转录因子的相互作用关系，利用结构生物学和细胞生物学方法，揭示布氏锥虫中PAF1复合体的潜在细胞生物学功能，并研究其在布氏锥虫表观遗传方面的调节作用。通过本项目的研究，我们鉴定了布氏锥虫PAF1复合物中的5个主要的亚基，并通过酵母双杂交技术验证了亚基之间以及亚基和另外两个转录因子TFIIS2-1和TFIIS2-2间的相互作用关系，并发现TFIIS2-1和TFIIS2-2通过其LW结构域与PAF1复合体的LEO1亚基的一个保守motif相互作用。另外，我们发现布氏锥虫的TFIIS2转录因子的氨基端具有独特的PWWP结构域，其中TFIIS2-2蛋白的PWWP结构域能够识别组蛋白H3K32，H4K17的三甲基化，这在一定程度上反映了在布氏锥虫中TFIIS介导PAF1参与转录延伸的功能是保守的，但似乎H4K17的三甲基化参与到了染色体的末端沉默。我们也首次发现敲低PAF1复合体能够导致染色体末端沉默消失，这可能与PAF1复合体与ISWI的相互作用是有直接关系的。参与染色体末端沉默，这可能也是PAF1复合体的新功能之一，具体的机制还有待进一步研究。除此之外，我们还验证了布氏锥虫bromo结构域蛋白和PAF1复合体之间没有直接的相互作用关系，但是bromo结构域蛋白在布氏锥虫转录调节方面也具有重要作用，我们也解析了一系列bromo结构域的结构，并筛选了针对布氏锥虫BDF5的bromo结构域的抑制剂分子用于后续的表观遗传学研究或用于研发治疗锥虫病的小分子药物。本项目也是首次针对布氏锥虫中识别表观遗传相关的组蛋白修饰结构域的结构和功能的研究，研究结果为布氏锥虫的表观遗传学研究奠定了坚实基础并为后续药物研发提供能理论依据。