王海波博士等解析转录共激活复合物SAGA的三维结构

转录是基因表达的第一步,也是细胞内调控最严密的过程之一。在真核生物中,大部分基因通常处于转录抑制状态或者本底表达水平。基因的高水平表达依赖转录激活因子(activator)结合在特定DNA序列上招募转录共激活复合物(coactivator),如中介体(Mediator),染色质修饰复合物SAGA和染色质重塑复合物 SWI/SNF等,使启动子区域处于开发状态,便于转录起始复合物的组装。

 

1996年David Allis实验室鉴定出组蛋白乙酰化转移酶Gcn5是转录共激活复合物中的组分之一,从而把组蛋白修饰和转录调控联系起来,极大地推动了表观遗传学领域的发展。1997年Jerry Workman实验室鉴定出Gcn5存在于SAGA(Spt–Ada–Gcn5–acetyltransferase)复合物和ADA复合物中【1】。SAGA复合物广泛存在从酵母到人的所有真核生物中,在转录调控中发挥重要作用【2】。SAGA复合物含有19个蛋白亚基,分子量约为1.4 MDa,根据功能和组成可以分为4个模块:(1)组蛋白乙酰化模块(HAT),负责启动子区域的H3乙酰化;(2)去泛素化模块(DUB),负责清除启动子区域组蛋白H2B第120位赖氨酸的乙酰化;(3)核心模块(core),具有TBP结合活性,并保证复合物的完整性;(4)Tra1模块,负责结合转录激活因子【3】。之前关于完整SAGA复合物的一系列结构生物学研究只解析了其中最大的亚基Tra1的高分率结构以及整体的大致形状【4-6】,然而组成成分最复杂的核心模块的三维结构以及结合TBP的位点一直都不清楚。

2020年1月22日,德国马克思普朗克生物物理化学研究所(MPIbpc)Patrick Cramer研究组王海波博士为第一作者)Nature杂志上发表了题为 Structure of the transcription coactivator SAGA 的研究文章,首次解析了转录共激活复合物SAGA的高分辨率冷冻电镜(cryo-EM)结构以及结合带修饰核小体状态下的构象变化,揭示了SAGA复合物的组装以及在染色质环境下发挥功能的分子基础。

 

SAGA复合物整体可以分为上下两大部分,中间只通过很小的区域连接,因此两部分相对活动的自由度比较大(图1)。作者获得了分辨率分别为3.3 Å和3.4 Å的核心模块和Tra1模块的三维重构密度并搭建了结构模型。遗憾的是HAT模块、DUB模块和能结合TBP的Spt8的分辨率较低,但是结合蛋白质交联质谱的结果,可以确定这三个功能组分位于核心模块的同一侧,即面向启动子的一侧。

 

图1. 转录共激活复合物SAGA的总体结构

SAGA的核心模块由10个蛋白亚基组成,其中有7个蛋白共含有8个类组蛋白结构域(Histone-like fold,HF),相互形成异源二聚体并进一步组装成类似于组蛋白八聚体的亚模块(图2)。Taf5的WD40结构域位于核心模块的中心,与相邻的6个蛋白都有直接的相互作用,是维持核心模块完整性的关键组分。

 

图2. SAGA复合物核心模块的组成及结构

SAGA和TFIID共享五个亚基(Taf5,Taf6,Taf9,Taf10,Taf12),并且在酵母中两者都可以结合TBP,不同的是在TFIID中这五个亚基有两个拷贝,而在SAGA中只有一个拷贝【7】。SAGA的Ada1亚基替代了TFIID中的Taf4,Spt7亚基替代了Taf3/Taf8, Spt3亚基替代了TFIID 的lobe A中结合TBP的Taf11-Taf13二聚体。和TFIID的lobe A相比,类组蛋白八聚体亚模块和Taf5的WD40结构域的在各自复合物中所处的位置以及结合TBP的位点基本一致。TFIID的lobe B只含有一个类似的六聚体,缺少能结合TBP的Taf11-Taf13二聚体。值得一提的是,Taf5的NTD结构域和Taf6的HEAT结构域在SAGA和TFIID中的位置截然不同,SAGA特有的Spt20亚基结合在TFIID中Taf5 NTD结构域所处的位置,Spt20的wedge区域稳定了新形成的构象,同时Spt7的一部分帮助Taf6的HEAT结构域处在新的构象。而在TFIID中缺少Spt20和Spt7的对应区域,并且Taf4的一段螺旋阻止了Taf5的NTD结构域结合在SAGA中的位置(图3)。这些特性为SAGA和TFIID的特异性组装提供了分子层面上的解释。

 

图3. SAGA核心模块和TFIID的相似性和特异性

为了理解SAGA的不同模块是如何在染色质环境下协同工作的,作者也研究了SAGA结合带有H2B K120ub和H3K4me3双修饰核小体的复合物结构。与预想的不同,核小体并没有结合在HAT模块和DUB模块之间的空隙中。相反的,结合核小体之后,HAT模块和DUB模块发生很大的构象变化,变得更加活动。作者只获得了Tra1模块-核心模块的6.1 Å分辨率结构以及游离的DUB模块结合在泛素化核小体上的3.7 Å分辨率结构。与之前的单独DUB模块结合泛素化核小体的晶体结构不同【8】,完整的SAGA复合物的DUB模块只结合在核小体的一侧而不是两侧(图4a)

综合以上结果,作者认为SAGA复合物内部各模块的灵活性对于其在复杂的基因组环境发挥功能是必需的。不同的基因的启动子区域的关键元件(如上游激活序列UAS,TATA box和转录起始位点TSS)之间的距离有很大的可变性,SAGA复合物的巨大灵活性保证了它可以在不同的基因组环境发挥各个模块的功能(图4b)

 

图4. DUB模块结合泛素化核小体的结构以及SAGA在染色质上的工作模型

值得一提的是,在同一期的Nature杂志上背靠背发表了另外一篇由法国遗传与分子细胞生物学研究所Patrick Schultz研究组和Adam Ben-Shem研究组合作完成的类似工作,解析了SAGA-TBP复合物的冷冻电镜结构。这两篇文章为领域内20多年积累的生化数据提供了精细的结构模型,对于理解SAGA的转录共激活作用迈出了重要一步。

 

原文链接:
https://www.nature.com/articles/s41586-020-1933-5
https://www.nature.com/articles/s41586-020-1944-2

1. Grant, P. A. et al. Yeast Gcn5 functions in two multisubunit complexes to acetylate nucleosomal histones: characterization of an Ada complex and the SAGA (Spt/Ada) complex. Genes Dev 11, 1640-1650, doi:10.1101/gad.11.13.1640 (1997).

2. Baptista, T. et al. SAGA Is a General Cofactor for RNA Polymerase II Transcription. Mol Cell 70, 1163-1164, doi:10.1016/j.molcel.2018.06.007 (2018).

3. Han, Y., Luo, J., Ranish, J. & Hahn, S. Architecture of the Saccharomyces cerevisiae SAGA transcription coactivator complex. EMBO J 33, 2534-2546, doi:10.15252/embj.201488638 (2014).

4. Sharov, G. et al. Structure of the transcription activator target Tra1 within the chromatin modifying complex SAGA. Nat Commun 8, 1556, doi:10.1038/s41467-017-01564-7 (2017).

5. Diaz-Santin, L. M., Lukoyanova, N., Aciyan, E. & Cheung, A. C. Cryo-EM structure of the SAGA and NuA4 coactivator subunit Tra1 at 3.7 angstrom resolution. Elife 6, doi:10.7554/eLife.28384 (2017).

6. Liu, G. et al. Architecture of Saccharomyces cerevisiae SAGA complex. Cell Discov 5, 25, doi:10.1038/s41421-019-0094-x (2019).

7. Patel, A. B. et al. Structure of human TFIID and mechanism of TBP loading onto promoter DNA. Science 362, doi:10.1126/science.aau8872 (2018).

8. Morgan, M. T. et al. Structural basis for histone H2B deubiquitination by the SAGA DUB module. Science 351, 725-728, doi:10.1126/science.aac5681 (2016).

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