Nature | 搞清楚了！中国科学院许瑞明/朱冰揭示去泛素化酶PR-DUB特异性去除核小体H2AK119泛素化的分子机制

Polycomb蛋白复合物对基因表达的抑制是调控胚胎发育和细胞类型规范的基本机制。Polycomb抑制性去泛素酶(PR-DUB)复合物去除核小体上组蛋白H2AK119单泛素化 (H2AK119ub1)的泛素部分，抵消Polycomb抑制性复合物1 (PRC1)的泛素E3连接酶活性，以促进Polycomb蛋白对基因的正确沉默，并保护活性基因免受PRC1的无意沉默。PR-DUB复杂的生物学功能需要H2AK119ub1的精确靶向，但PR-DUB可以不加区别地去泛素化；因此，其微妙的核小体依赖底物特异性的基础仍然不清楚。

2023年3月29日，中国科学院生物物理研究所许瑞明及朱冰共同通讯在Nature 在线发表题为“Basis of the H2AK119 specificity of the Polycomb repressive deubiquitinase”的研究论文，该研究报道了人PR-DUB（由BAP1和ASXL1组成）与染色小体(Chromatosome)复合物的冷冻电镜结构。

该研究发现ASXL1除了在形成泛素结合裂缝中起作用外，还指导BAP1的带正电荷的C端延伸与二分体附近的核小体DNA和组蛋白H3-H4结合。此外，BAP1催化结构域的一个保守环段位于H2A-H2B酸性斑块附近。这种独特的核小体结合模式将H2A的C端尾部从核小体表面取代，并赋予PR-DUB对H2AK119ub1的特异性。

PcG蛋白通过翻译后修饰组蛋白和促进兼性异染色质的形成来抑制基因表达。原型PcG复合物PRC1和PRC2分别通过H2AK119泛素化和H3K27甲基化影响发育程序和人类疾病。独特的PR-DUB复合物通过对抗PRC1的机制来实现其PcG功能：即通过核小体上H2AK119ub1的去泛素化。PR-DUB的这一特性确保了H2AK119ub1的正确水平，以压实Polycomb染色质结构域，并保护活性基因免受PRC1的沉默。

人类PR-DUB由BAP1-泛素C端水解酶(UCH)和一种ASXL(附加性梳样)蛋白(ASXL1-ASXL3)组成。BAP1和ASXL蛋白都是进化上保守的多结构域蛋白，在癌症中经常发生突变。值得注意的是，一些癌症相关的ASXL1-ASXL3的截断表现为PR-DUB的功能获得性突变，使BAP1成为白血病的潜在治疗靶点。

结合H2AK119ub1染色小体的PR-DUB结构（图源自Nature ）

BAP1本身是不活跃的，但结合到ASXL1-ASXL3的去泛素酶适配器(DEUBAD)结构域激活BAP1的去泛素酶活性。活化的BAP1复合物在核小体中特异性地去泛素化H2AK119ub1，尽管它能够杂乱地去泛素化游离组蛋白和肽底物。果蝇PR-DUB的晶体结构由Calypso (Caly)和Asx的DEUBAD结构域(AsxDEU )组成，表明AsxDEU与Caly的UCH37-like (ULD)结构域相互作用形成一个完整的泛素结合口袋。

Caly-AsxDEU结构缺乏结合底物，尽管可以从与泛素结合的UCH37 - RPN13xDEU复合体(UCH37也被称为UCH-L5)高度同源的结构中了解到很多关于泛素结合的信息。然而，是什么决定了H2AK119ub1依赖核小体的特异性尚不清楚。为了解决这一问题，该研究确定了PR-DUB与H2AK119ub1染色体的复合体结构，该复合体是由连接子组蛋白H1 (H1.4)与H2AK119ub1结合到187 bp DNA核小体核心粒子(NCP)上形成的，称为NCP(H2AK119ub1)。

该研究发现ASXL1除了在形成泛素结合裂缝中起作用外，还指导BAP1的带正电荷的C端延伸与二分体附近的核小体DNA和组蛋白H3-H4结合。此外，BAP1催化结构域的一个保守环段位于H2A-H2B酸性斑块附近。这种独特的核小体结合模式将H2A的C端尾部从核小体表面取代，并赋予PR-DUB对H2AK119ub1的特异性。

参考消息：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05841-y