与人类疾病相关的组蛋白甲基转移酶NSD家族蛋白质的组蛋白修饰识别结构域的结构与功能研究

The NSD family of SET domain-containing histone methyl-transferases includes NSD1, NSD2 (also known as WHSC1, Wolf-Hirschhorn syndrome candidate 1 or MMSET, multiple myeloma SET), and NSD3 (also known as WHSC1L1, WHSC1 like 1). All three NSD proteins have been directly linked to multiple human diseases. Although highly relevant to human health and diseases, only a few details have been published regarding the mechanism of NSD family action. Aside from the well-characterized catalytic SET domain, NSD proteins have multiple potential chromatin-binding motifs that are clinically relevant, including the four tandem PHD fingers (PHD1-4), the second PWWP domain (PWWP2) and the PHD5-C5HCH tandem module. We have used several in vitro binding assays to identify the histone binding ability of the C-terminal PHD5-C5HCH module of NSD proteins and determined high resolution crystal structures of NSD3-PHD5-C5HCH in its apo and holo states with unmodified H3(1-7), H3(1-15), and H3(1-15)K9me3, respectively (J Biol Chem 288, 4692-703, 2013). Further histone binding properties and structural analysis of PHD1-4 and PWWP2 will be carried out in this project. How these chromatin-binding motifs could affect the enzymatic properties of the SET domain will be studied, also. Our project will shed light on how NSD proteins that mediate H3K36 methylation are localized to specific genomic sites and provide implications for the mechanisms of NSD family action.

组蛋白甲基转移酶NSD家族蛋白质包含三个成员，NSD1，NSD2和NSD3。NSD家族蛋白质在生物体的个体发育过程中起着重要的作用，其异常表与多种人类遗传性疾病和癌症相关，但是对其发挥的生物学功能和致病机理却知之甚少。除了研究较多的SET酶活结构域外，NSD家族的保守区域还含有多个组蛋白翻译后修饰识别结构域，包括4个串联PHD锌指（PHD1-4），PWWP2结构域和PHD5-C5HCH串联锌指模块。我们之前鉴定了NSD家族蛋白质的PHD5-C5HCH串联模块识别组蛋白H3尾巴的性质，并获得了单体和多个复合物晶体结构，该成果已在JBC发表。我们拟对该区域进一步进行分子和结构生物学研究，分析PHD1-4和PWWP2结构域识别组蛋白翻译后修饰特性和识别的结构基础，并研究这些组蛋白翻译后修饰识别结构域如何影响SET结构域的酶活性质。我们的研究将推动对NSD家族蛋白质发挥生物学功能和致病机理的理解。

组蛋白甲基转移酶NSD家族蛋白质包含三个成员，NSD1，NSD2和NSD3。NSD家族蛋白质在生物体的个体发育过程中起着重要的作用，其异常表达与多种人类遗传性疾病和癌症相关，但是对其发挥的生物学功能和致病机理却知之甚少。除了SET酶活结构域外，NSD家族的保守区域还含有多个组蛋白翻译后修饰识别结构域，包括4个串联PHD锌指（PHD1-4），PWWP2结构域和PHD5-C5HCH串联锌指模块。.我们之前鉴定了NSD家族蛋白质的PHD5-C5HCH串联模块识别组蛋白H3尾巴的性质，并获得了单体和多个复合物晶体结构，该成果已在JBC发表。在本项目基金的支持下，我们开展了对NSD家族蛋白质保守区域PHD1-4，PWWP2和PHD5-C5HCH模块的研究。我们解析了NSD3-PWWP2的单体结构，筛选得到其相互作用的组蛋白翻译后修饰H3K36me2/3。我们考察了NSD3-PHD5-C5HCH模块对NSD3-SET酶活的影响，发现NSD3-SET-PHD5C5HCH模块的酶活活性显著高于单独的NSD3-SET。我们进一步开展了NSD1-PHD5-C5HCH模块与转录因子Nizp1相互作用的结构基础研究。Nizp1包含一个C2HR锌指和4个串联C2H2锌指。C2HR（Nizp1-Znf1）与NSD1-PHD5C5HCH模块形成稳定的复合物。Nizp1的第三个和第四个串联C2H2锌指（Nizp1-Znf4-5）特异地结合端粒DNA TTAGGG序列。我们解析了Nizp1-Znf4-5与端粒DNA的复合物结构，并发现其在体内与端粒DNA共定位。我们将进一步研究NSD1-Nizp1-端粒三者之间的关联和生物学意义。我们的研究推动了对NSD家族蛋白质发挥其生物学功能机制的理解。.此外，在本项目基金的研究下，项目负责人李福东开展了其它多项工作，包括：解析了COMPASS复合物Spp1亚基与组蛋白H3K4me3修饰的复合物结构；阐述了新型端粒DNA结合蛋白TZAP特异识别端粒DNA的结构基础（Cell Research 2018）；解析了裂殖酵母减数分裂调控Ehr1-Mmi1的复合物结构（Nature Commun. 2019）。