Polycomb蛋白復合物對基因表達的抑制是調控胚胎發(fā)育和細胞類型規(guī)范的基本機制。Polycomb抑制性去泛素酶(PR-DUB)復合物去除核小體上組蛋白H2AK119單泛素化(H2AK119ub1)的泛素部分，抵消Polycomb抑制性復合物1 (PRC1)的泛素E3連接酶活性，以促進Polycomb蛋白對基因的正確沉默，并保護活性基因免受PRC1的無意沉默。PR-DUB復雜的生物學功能需要H2AK119ub1的精確靶向，但PR-DUB可以不加區(qū)別地去泛素化；因此，其微妙的核小體依賴底物特異性的基礎仍然不清楚。

2023年3月29日，中國科學院生物物理研究所許瑞明及朱冰共同通訊在Nature在線發(fā)表題為“Basis of the H2AK119 specificity of the Polycomb repressive deubiquitinase”的研究論文，該研究報道了人PR-DUB（由BAP1和ASXL1組成）與染色小體(Chromatosome)復合物的冷凍電鏡結構。

該研究發(fā)現ASXL1除了在形成泛素結合裂縫中起作用外，還指導BAP1的帶正電荷的C端延伸與二分體附近的核小體DNA和組蛋白H3-H4結合。此外，BAP1催化結構域的一個保守環(huán)段位于H2A-H2B酸性斑塊附近。這種獨特的核小體結合模式將H2A的C端尾部從核小體表面取代，并賦予PR-DUB對H2AK119ub1的特異性。

(資料圖片僅供參考)

PcG蛋白通過翻譯后修飾組蛋白和促進兼性異染色質的形成來抑制基因表達。原型PcG復合物PRC1和PRC2分別通過H2AK119泛素化和H3K27甲基化影響發(fā)育程序和人類疾病。獨特的PR-DUB復合物通過對抗PRC1的機制來實現其PcG功能：即通過核小體上H2AK119ub1的去泛素化。PR-DUB的這一特性確保了H2AK119ub1的正確水平，以壓實Polycomb染色質結構域，并保護活性基因免受PRC1的沉默。

人類PR-DUB由BAP1-泛素C端水解酶(UCH)和一種ASXL(附加性梳樣)蛋白(ASXL1-ASXL3)組成。BAP1和ASXL蛋白都是進化上保守的多結構域蛋白，在癌癥中經常發(fā)生突變。值得注意的是，一些癌癥相關的ASXL1-ASXL3的截斷表現為PR-DUB的功能獲得性突變，使BAP1成為白血病的潛在治療靶點。

結合H2AK119ub1染色小體的PR-DUB結構（圖源自Nature）

BAP1本身是不活躍的，但結合到ASXL1-ASXL3的去泛素酶適配器(DEUBAD)結構域激活BAP1的去泛素酶活性。活化的BAP1復合物在核小體中特異性地去泛素化H2AK119ub1，盡管它能夠雜亂地去泛素化游離組蛋白和肽底物。果蠅PR-DUB的晶體結構由Calypso (Caly)和Asx的DEUBAD結構域(AsxDEU)組成，表明AsxDEU與Caly的UCH37-like (ULD)結構域相互作用形成一個完整的泛素結合口袋。

Caly-AsxDEU結構缺乏結合底物，盡管可以從與泛素結合的UCH37 - RPN13xDEU復合體(UCH37也被稱為UCH-L5)高度同源的結構中了解到很多關于泛素結合的信息。然而，是什么決定了H2AK119ub1依賴核小體的特異性尚不清楚。為了解決這一問題，該研究確定了PR-DUB與H2AK119ub1染色體的復合體結構，該復合體是由連接子組蛋白H1 (H1.4)與H2AK119ub1結合到187 bp DNA核小體核心粒子(NCP)上形成的，稱為NCP(H2AK119ub1)。

該研究發(fā)現ASXL1除了在形成泛素結合裂縫中起作用外，還指導BAP1的帶正電荷的C端延伸與二分體附近的核小體DNA和組蛋白H3-H4結合。此外，BAP1催化結構域的一個保守環(huán)段位于H2A-H2B酸性斑塊附近。這種獨特的核小體結合模式將H2A的C端尾部從核小體表面取代，并賦予PR-DUB對H2AK119ub1的特異性。

參考消息：

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

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