CHD家族染色质重塑蛋白定位到染色质上的分子机理

Chromatin is under dynamic regulation during gene expression, DNA replication and repair, which is referred to as chromatin remodeling. Chromatin remodelers utilize energy derived from ATP hydrolysis to alter histone−DNA contacts within chromatin. Members of the chromodomain-helicase-DNA-binding (CHD) family belong to the SNF2 superfamily of ATP-dependent chromatin remodelers. Genetic and biochemical studies demonstrate that CHD proteins are important regulators of transcription and play critical roles during developmental processes. Numerous CHD proteins are also implicated in human disease. To function properly, CHD proteins have to be localized at correct chromatin sites in the genome. Two mechanisms are involved in determining and regulating the chromatin localization of CHD proteins. First, CHD proteins contain multiple chromatin-associated domains besides the ATPase module, which may readout specific histone/chromatin code. Secondly, CHD proteins often form multi-subunit complexes where regulatory subunit would recruit the remodeler to specific chromatin sites. In this proposal, I will focus on the first mechanism. I shall systematically screen and test the histone and DNA/RNA binding ability of potential chromatin-associated domains of the CHD family, investigate the molecular interplay between these interactions, determine several typical complex structures using NMR and/or X-ray crystallography to reveal the molecular mechanism. My study would shed light on the regulation mechanism of chromatin localization of CHD remodeling proteins.

在基因表达、DNA复制和修复等生命活动中,染色质结构处于去组装、重组装的动态变化中,即染色质重塑。一类具有ATP水解酶活性的蛋白在其中扮演重要的角色。CHD家族即是这样的蛋白。在人基因组中,CHD家族共有九个成员,分别是CHD1～9。它们在基因表达、个体发育都具有很重要的作用,其功能异常与疾病密切相关。为了正常发挥作用,这些重塑蛋白需要正确地定位到染色质上。有两种机制可实现这一目的,一是这些蛋白本身含有多个可以结合组蛋白或者核酸的结构域,通过这些结构域的特定组合识别特定的染色质状态;二是与其他蛋白形成复合物,通过复合物的特定组成实现时空特异性的染色质定位。本项目重点关注第一种机制,拟对整个CHD家族中各种潜在的染色质相关结构域进行系统的测试,确定它们的组蛋白/核酸结合潜力;研究各种相互作用之间的协同/拮抗关系;解析相应蛋白质复合物结构,阐明其分子机理,为理解CHD蛋白定位于染色质提供基础。

染色质结构对于基因表达调控、维持遗传物质稳定性等有至关重要的作用。染色质结构同时受到多种机制的调节，包括以CHD家族为代表的重塑、DNA本身的甲基化等修饰和组蛋白的各种翻译后修饰。而这些化学修饰又进一步充当各种“信号”招募其他的“效应器”进一步调节染色质结构。本课题集中解答CHD家族和相关组蛋白修饰蛋白读取特定组蛋白密码、或者DNA本身，以正确地定位到染色质（基因组）上这一问题。本课题克隆表达纯化了一系列潜在的染色质结合蛋白结构域，测试他们结合DNA和组蛋白的结合能力，成功地获得一个PWWP结构域和DNA的复合物晶体结构，这是PDB数据库中第一个PWWP结构域-DNA复合物的结构，确证了此前关于PWWP结构域是非特异性地结合DNA（即与序列无关）这一论断，同时也为理解PWWP结构域结合到核小体上的机制提供了有力的基础。我们还发现，负责催化H3K9me3的甲基化酶SETDB1含有三个串联的Tudor结构域（3TD），可以特异地识别H3K14ac信号，当邻近的H3K9开始甲基化时，它们之间的结合亲和力会得到显著提升。特别有意思的是，当H3K9me从二重甲基化（me2）进一步转换成三重甲基化（me3）后，整个密码识别方式发生重大翻转，最后当H3K9me3得到确立、而H3K14ac的乙酰基（ac）脱落后，3TD则会从这一组蛋白上解离，完成从“打开”到“关闭”过程中这一系列组蛋白密码的识别。这一研究揭示了真核生物染色质从“打开”到“关闭”过程中组蛋白密码的识别机制。