蛋白质设施用户揭示植物组蛋白分子伴侣识别组蛋白的结构基础

来源：中国科学院重大科技基础设施共享服务平台

2020年11月16日，国家蛋白质科学研究(上海)设施用户复旦大学生命科学学院董爱武团队与麻锦彪团队合作于 《美国科学院院刊》 (PNAS)，在线发表了题为 “NAP1-Related Protein 1 (NRP1) has multiple interaction modes for chaperoning histones H2A-H2B” 的研究论文，揭示了组蛋白分子伴侣NRP1以多种方式识别组蛋白H2A-H2B的分子机制。  

Nucleosome assembly protein 1 (NAP1)作为组蛋白H2A-H2B重要的分子伴侣，最早在非洲爪蟾的受精卵中被分离且具有核小体组装活性；随后在酵母、动物和植物中都发现了NAP1的同源蛋白，而且NAP1家族蛋白在进化过程中具有很强的保守性。NAP1-Related Protein 1（NRP1）是拟南芥NAP1家族成员，作为组蛋白H2A-H2B的分子伴侣参与核小体移除，并能与转录因子WER结合激活下游靶基因GL2，调控植物根毛发育。  

为了探索NRP1移除核小体的分子机制，董爱武团队和麻锦彪团队合作解析了NRP1与组蛋白H2A-H2B的复合物晶体结构（3.0 埃），发现NRP1的N端结构域可以直接结合H2A-H2B，这是NAP1家族蛋白没有被发现过的一种新的组蛋白结合方式。遗传互补实验表明：NRP1 N端识别H2A-H2B的关键氨基酸突变的蛋白质NRP1-mN不能回复NRP缺失突变体nrp1-1 nrp2-1的表型，证明NRP1  N端结构域与H2A-H2B的相互作用在体内具有重要的生理功能。该工作还解析了NRP1 C端酸性结构域和H2A-H2B的复合物晶体结构（1.65 埃），发现NRP1 C端的[D/E]-X/XX-D-[F/Y]基序在很多H2A-H2B结合蛋白中都存在并以保守的模式结合组蛋白，暗示[D/E]-X/XX-D-[F/Y]基序可以作为H2A-H2B结合蛋白的一个标志。此外，通过体外交联-质谱分析和ITC实验，进一步鉴定了NRP1 Earmuff结构域中参与H2A-H2B结合的关键氨基酸。最后，体外核小体组装与去组装实验证明：NRP1的N端结构域、Earmuff 结构以及C端酸性区域对NRP1发挥功能都是必须的。综上所述，该工作揭示了拟南芥NRP1识别组蛋白H2A-H2B的多种方式，阐明了NRP1介导核小体组装与去组装的结构基础。  

2017年，董爱武团队与麻锦彪团队合作在 《植物细胞》 (The Plant Cell)发表了组蛋白分子伴侣NRP1与转录因子WER相互作用调控根毛发育的分子机制；2020年，董爱武团队与甘建华团队合作在 《核酸研究》 (Nucleic Acids Research)发表了WER识别DNA的分子基础；结合刚发表的NRP1识别组蛋白H2A-H2B的结构基础，较为完善地解析了组蛋白分子伴侣NRP1与转录因子相互作用，调控基因表达及植物发育的分子机制。  

国家蛋白质科学研究（上海）设施BL18U1线站及BL19U1线站，上海光源BL17U1线站工作人员为其X射线晶体学衍射数据收集提供了及时有效的支持。

  
   
A. NRP1 N端识别H2A-H2B的关键氨基酸；B-C. 交联-质谱和ITC实验显示NRP1的N端和Earmuff 结构域均可结合H2A-H2B；D-F.遗传互补实验证明NRP1 N端结构域与H2A-H2B的相互作用在体内具有重要的生理功能。  

（蛋白质设施上海提供）