Nat. Chem. Biol. | 通过工程化改造去甲基酶LSD1研究组蛋白PTM crosstalk

分享一篇发表在Nat. Chem. Biol.上的文章，题目为Uncoupling histone modification crosstalk by engineering lysine demethylase LSD1。本文通讯作者为波士顿大学医学院的Samuel Beck助理教授、帕维亚大学的Andrea Mattevi教授、哈佛大学医学院的Philip A. Cole教授。Samuel Beck课题组致力于研究表观遗传学、Andrea Mattevi课题主要从事X射线晶体结构解析、Philip A. Cole课题组则主要从事PTM及其功能研究。

真核生物的DNA以染色质的形式存在，并以核小体为最小组成单元。核小体由四种核心组蛋白H2A、H2B、H3和H4的八聚体组成，并由147个碱基对（bp）的DNA包裹。组蛋白上存在多种翻译后修饰，可对表观遗传状态、基因表达、细胞生长和分化进行调节。在某些情况下，特定的乙酰化或甲基化组蛋白标记之间似乎存在功能性串扰，这些标记被称为组蛋白密码。

赖氨酸特异性去甲基化酶1（LSD1）是一种组蛋白去甲基化酶，能特异性地去除组蛋白 H3 Lys4残基上的单甲基化或双甲基化修饰（H3K4me1和H3K4me2）。LSD1 在基因沉默中发挥作用，影响各种细胞过程，如上皮细胞向间质转化、细胞增殖和细胞运动。

在细胞中，LSD1构成性地与支架蛋白 CoREST结合，形成LSD1-CoREST（LC）复合物。这种多蛋白复合物有时还包括组蛋白去乙酰化酶 HDAC1，形成LSD1-HDAC1-CoREST（LHC）复合物，并有效地脱除H3和H2B上的多种Kac修饰，但H3K14ac除外。2018年，有报道称组蛋白H3的Lys14乙酰化（H3K14ac）抑制了LSD1对H3 Lys4残基的去甲基化过程，揭示了两种组蛋白标记之间的负向串扰。

在本研究中，作者首先分析了LC与LHC复合物在含H3K4me2修饰的核小体上的去甲基化活性，证明LC具有明显更快的催化速率，并揭示这一差异主要由复合物与核小体之间亲和力的不同所决定。

接下来，作者通过XRD的方法，获得了LC复合物与含H3K14ac修饰的H3 N端肽段相互作用的晶体结构。与此前解析的不含上述修饰的互作结构相比，作者观察到K14 H3与E559 LSD1之间的盐桥被破坏以及K9H3构象的补偿性改变，最终导致LSD1催化活性残基H564的化学环境发生改变，造成LSD1去甲基化活性的降低。

基于上述结构的认识，作者对LSD1突变体进行了筛选，以使得LC复合物的去甲基化活性对H3K14ac不敏感，并找到了Y391K突变体。在含H3K4me2修饰的核小体上，含Y391K突变的LC复合物完全消除了H3K14ac对WT复合物活性的抑制效果。

最后，作者使用CRISPR-Cas9技术，将Y391K突变的LSD1敲入K562细胞中，并评估了其对基因表达和组蛋白标记的影响。含有Y391K LSD1的CRISPR敲入K562细胞系显示出一组与细胞粘附和髓系白细胞活化相关的基因表达减少。染色质图谱分析表明，这些沉默基因的顺式调控区域显示了较高水平的H3 Lys14乙酰化，而且经过编辑的K562细胞显示这些沉默基因附近的H3单甲基Lys4减少，这与LSD1去甲基化酶活性增强的作用一致。

综上所述，本文深入揭示了LSD1-CoREST1复合物活性受H3K14ac调控的结构基础，并通过突变体筛选的方法获得了H3K14ac不敏感的复合物，最终用其研究LSD1的生理功能。

本文作者：TZS

责任编辑：LYC

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41589-024-01671-9

文章引用：10.1038/s41589-024-01671-9