子科生物報(bào)道：基因組DNA纏繞在組蛋白八聚體（H2A, H2B, H3和 H4）上形成核小體，核小體再進(jìn)一步逐級(jí)折疊壓縮組裝成染色質(zhì)。組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶通過(guò)催化轉(zhuǎn)移甲基基團(tuán)到組蛋白H3和H4末端特定的賴氨酸側(cè)鏈上，形成組蛋白甲基化標(biāo)記，從而影響基因轉(zhuǎn)錄、DNA復(fù)制和DNA修復(fù)等過(guò)程，對(duì)維持染色質(zhì)穩(wěn)定和基因表達(dá)調(diào)控具有重要作用。組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶已被報(bào)道和多種癌癥、疾病等發(fā)生密切相關(guān)，它們被作為治療靶點(diǎn)的潛力無(wú)限。

南方科技大學(xué)生物系高級(jí)研究學(xué)者李婉秋攜手北京師范大學(xué)教授王占新團(tuán)隊(duì)、紀(jì)念斯隆-凱瑟琳癌癥研究中心教授Dinshaw J. Patel團(tuán)隊(duì)和斯坦福大學(xué)教授Or Gozani團(tuán)隊(duì)在《自然》（Nature）雜志在線發(fā)表了題為“Molecular basis of nucleosomal H3K36 methylation by NSD methyltransferases（NSD家族甲基轉(zhuǎn)移酶甲基化核小體H3K36的分子機(jī)制）”的研究論文。

該研究首次報(bào)導(dǎo)了NSD2和NSD3蛋白分別與核小體復(fù)合物的高分辨率冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了NSD家族蛋白特異性識(shí)別和甲基化組蛋白H3K36的分子機(jī)制，闡明了NSD蛋白中重要的致癌突變位點(diǎn)活性增強(qiáng)的分子激活機(jī)理。為針對(duì)NSD家族蛋白異常過(guò)量表達(dá)和突變等引起的多發(fā)性骨髓瘤、急性淋巴細(xì)胞白血病等靶向治療研究奠定了分子基礎(chǔ)。

NSD家族蛋白是組蛋白H3第36位賴氨酸（H3K36）特異的甲基轉(zhuǎn)移酶，有NSD1、NSD2 (MMSET/WHSC1) 和NSD3 (WHSC1L1) 三個(gè)成員。它們雖序列上同源，但功能上并不冗余，NSD1或NSD2基因敲除均會(huì)導(dǎo)致小鼠死亡。NSD家族蛋白過(guò)表達(dá)或者突變與多種癌癥發(fā)生密切相關(guān)。例如多發(fā)性骨髓瘤（MM），是影響著全世界成千上萬(wàn)病人以及病人家庭的惡性血液腫瘤。在多發(fā)性骨髓瘤病人中，有15-20%是由于NSD2的異常過(guò)表達(dá)所導(dǎo)致。急性淋巴細(xì)胞白血病（ALL）是兒科中被診斷出最常見的血液疾病，然而大約有10%的小兒急性淋巴細(xì)胞白血病病人攜帶了NSD2蛋白E1099K突變；此外，5-10%套細(xì)胞淋巴瘤病人以及肺癌、結(jié)腸癌和甲狀腺癌等病人中也有發(fā)現(xiàn)NSD2(E1099K) 突變。NUP98–NSD1 融合蛋白與急性髓細(xì)胞白血病（AML）相關(guān)，NSD3也在乳腺癌、肺鱗狀細(xì)胞癌等癌癥中異常過(guò)量表達(dá)。由此可見，NSD家族蛋白被認(rèn)為是潛在的癌癥靶向藥物治療靶點(diǎn)。已知NSD甲基轉(zhuǎn)移酶表現(xiàn)出一種自抑制狀態(tài)，其通過(guò)與核小體結(jié)合而解除自抑制，使組蛋白H3K36位點(diǎn)可以被二甲基化。然而，這一過(guò)程的分子機(jī)制尚不清楚。

該研究利用冷凍電鏡單顆粒技術(shù)，解析了NSD3、NSD3(E1181K/T1232A)致癌突變體和NSD2(E1099K/T1150A)致癌突變體分別與核小體結(jié)合復(fù)合物冷凍電鏡結(jié)構(gòu)。研究人員發(fā)現(xiàn)，NSD2/NSD3與核小體的結(jié)合會(huì)導(dǎo)致核小體出口處連接區(qū)域 (linker region) DNA打開，從而使NSD2/NSD3的催化結(jié)構(gòu)域插入到打開的DNA片段與組蛋白八聚體之間。NSD2/NSD3蛋白多個(gè)帶正電氨基酸與核小體SHL -7、SHL 0位置處DNA磷酸骨架相互作用，將NSD2/NSD3穩(wěn)定在核小體上。與此同時(shí)，NSD2/NSD3與組蛋白H3的N端α螺旋、H2A的C末端有多個(gè)相互作用位點(diǎn)。研究人員根據(jù)NSD3與核小體復(fù)合物結(jié)構(gòu)信息設(shè)計(jì)了一系列突變體，發(fā)現(xiàn)NSD3蛋白的催化活性均不同程度降低。

值得一提的是，通過(guò)對(duì)比野生型NSD3核小體復(fù)合物結(jié)構(gòu)與NSD2(E1099K/T1150A)與核小體的復(fù)合物、NSD3(E1181K/T1232A)與核小體復(fù)合物結(jié)構(gòu)，研究人員發(fā)現(xiàn)，NSD2中著名的致癌突變位點(diǎn)E1099K，即帶負(fù)電氨基酸E1099突變成帶正電氨基酸K1099后，NSD2與核小體之間的靜電作用增強(qiáng)，從而導(dǎo)致了NSD2活性增強(qiáng)。而另一個(gè)致癌突變位點(diǎn) NSD3(T1232A) [對(duì)應(yīng)的NSD2(T1150A)]，當(dāng)蘇氨酸T突變成丙氨酸A，導(dǎo)致H3尾部向A1232位點(diǎn)靠近，形成了一對(duì)新的氫鍵，使H3K36更容易進(jìn)入催化口袋，從而導(dǎo)致酶活性增強(qiáng)。這些致癌突變不僅增強(qiáng)了體外催化活性，而且促進(jìn)了癌細(xì)胞增殖以及異種移植瘤生長(zhǎng)。

李婉秋、北京師范大學(xué)已畢業(yè)博士生田偉、斯坦福大學(xué)博士后袁剛和北京師范大學(xué)已畢業(yè)博士生鄧譜涓為本論文共同第一作者，王占新、Dinshaw J. Patel和Or Gozani為本論文的共同通訊作者。南方科技大學(xué)為第一作者單位。

本項(xiàng)目獲得了南方科技大學(xué)校長(zhǎng)基金、校長(zhǎng)卓越博士后項(xiàng)目和深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目等資助，并得到了由深圳市發(fā)改委投資建設(shè)的南方科技大學(xué)冷凍電鏡中心大力支持。本項(xiàng)目所有冷凍電鏡數(shù)據(jù)采集、處理均在南方科技大學(xué)冷凍電鏡中心進(jìn)行，南方科技大學(xué)冷凍電鏡中心為本項(xiàng)目順利推進(jìn)提供了堅(jiān)實(shí)保障。