双特异性组蛋白去甲基化酶ceKDM7A的结构与功能研究

本项目致力于研究双特异性组蛋白去甲基化酶ceKDM7A结构，以及其介导的去甲基化分子机制和参与的细胞过程。ceKDM7A是线虫中特异性的去组蛋白H3K9me2、H3K27me2二甲基化的蛋白酶，包含一个PHD结构域和一个JmjC结构域，属于一类重要的组蛋白去甲基化酶。其结构未知，催化和调控基因转录活性的机制也不清楚。我们初步的研究表明PHD结构域可以特异性的结合组蛋白H3K4me3。而组蛋白H3K4me3与H3K9me2/H3K27me2分别调控基因转录的激活和抑制过程。因此研究ceKDM7A如何识别H3K4me3（激活信号）和去除H3K9me2/H3K27me2（抑制信号）两种不同的组蛋白甲基化信号，以及如何协同调控相关基因的转录过程具有非常重要的意义。目前我们已经得到了六种ceKDM7A与不同组蛋白修饰多肽的共结晶，部分结构已经解析，进一步的数据收集，结构解析和生化分析，正在进行中。

组蛋白赖氨酸甲基化修饰的去除主要由两类组蛋白去甲基化酶（LSD1/2和JmjC家族蛋白）完成，这些酶通过影响组蛋白甲基化水平而参与基因的转录以参与众多的生理过程，其异常导致疾病，尤其是肿瘤的发生。目前对这些组蛋白去甲基化酶如何特异性识别底物，以及酶活性是如何被调控的还知之甚少。在本项目的支持下，我们开展了针对KDM7A和LSD2作为两类组蛋白去甲基化酶的代表，通过结构和功能的研究，揭示了组蛋白去甲基化酶催化，底物识别和活性调节的分子机制。.ceKDM7A属于JmjC家族的组蛋白去甲基化酶，可以去除H3K9me2和H3K27me2两种组蛋白甲基化。本项目研究了线虫组蛋白去甲基化酶ceKDM7A与其识别信号H3k4me3，底物H3K9me2、H3k27me2复合物晶体结构和相关的功能。通过对这些蛋白质，蛋白质复合物的三维结构解析，确定ceKDM7A与H3K4me3之间关键结合位点，阐明该蛋白酶识别H3K4me3与对底物的催化机理，揭示包括ceKDM7A在内的PHF2/PHF8家族蛋白协同调控基因转录激活与转录抑制的分子机制。拓展我们对组蛋白去甲基化酶的认识（Cell Research，2010a，2010b）。.除JmjC家族蛋白以外，LSD1/LSD2是另外一类重要的组蛋白去甲基化酶。我们在完成本项目的基础上，拓展了研究的内容。解析了LSD2与H3（1-26）的复合物结构，发现LSD2与底物的结合除了酶活中心外，还有第二个底物识别位点，而LSD1不具有此部分序列，通过体内外结合以及酶活试验证明，第二个结合位点对于LSD2的酶活有重要的作用。提出一个模型：NPAC的PWWP结构域结合到富含H3K36me3的位点，通过很强的疏水作用将LSD2募集到此区域催化K4me2，其F217位的存在稳定LSD2与底物的结合，提高LSD2的酶活性。通过结构和生化研究，揭示了组蛋白去甲基化酶LSD2催化，底物识别及其活性调节机制，为深入理解该蛋白质参与干细胞分化与重编程过程奠定了基础（Mol Cell，2013；Cell Research，2013）。