Molecular Plant | 何新建实验室发现植物组蛋白H2A去泛素化的分子机制

2023年10月11日，北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院何新建课题组在Molecular Plant杂志在线发表了题为“Dual roles of the Arabidopsis PEAT complex in histone H2A deubiquitination and H4K5 acetylation”的研究论文。该研究发现了植物中的关键组蛋白H2A去泛素酶UBP5，发现UBP5和组蛋白乙酰化酶HAM1/2共同存在PEAT复合体中，揭示了PEAT复合体共同调控H2A去泛素化和H4K5乙酰化的分子机制。

组蛋白H2A的泛素化修饰在植物染色质状态和基因表达调控过程中具有重要作用。以往的研究发现，真核生物中保守的PRC1蛋白复合体负责植物组蛋白H2A的泛素化修饰，然而对植物中的H2A去泛素化的分子机制知之甚少。何新建实验室以往的研究发现了一个植物特异的多亚基蛋白复合体PEAT。在该研究的基础上，何新建实验室当前的研究发现，拟南芥中的PEAT复合体不仅包括以往鉴定到的四类组分，还包含两类具有酶催化活性的新组分，即两个功能冗余的组蛋白乙酰化酶HAM1和HAM2(HAM1/2)以及一个未知功能的泛素特异蛋白酶UBP5(图1)。

图1：拟南芥PEAT复合体中各亚基的互作

HAM1/2是真核生物中保守的MYST类型的组蛋白乙酰化酶，这类组蛋白乙酰化酶在酵母及动植物中作为NuA4/TIP60复合体的核心催化亚基发挥作用。该研究发现PEAT复合体中的EPCR组分与HAM1/2直接结合，作为HAM1乙酰化酶的辅助亚基发挥作用，是HAM1在核小体上催化组蛋白H4K5乙酰化(H4K5ac)所必需。通过ChIP-seq发现，EPCR与HAM1/2在全基因组水平共同促进大量靶基因上的组蛋白H4K5ac修饰。这表明HAM1/2-EPCR在PEAT复合体中作为组蛋白乙酰化模块发挥作用，揭示了HAM1/2作为PEAT复合体亚基调控组蛋白乙酰化修饰的独特分子机制。

该研究在体外检测了UBP5的酶催化活性，发现UBP5能够去除核小体上的H2A泛素修饰，而对核小体上的H2B泛素修饰没有作用，揭示了UBP5具有特异的H2A去泛素酶活性(图2)。进一步研究发现，UBP5在拟南芥中负责去除H2A泛素修饰，在ubp5突变体中H2A泛素修饰整体水平显著上升。另外，在PEAT复合体组分中，PWWP组分的突变体表现出总体H2A泛素修饰水平上升(图2)。与此相应，PWWP也是PEAT复合体中唯一与UBP5直接结合的组分，表明UBP5-PWWP在PEAT复合体中作为H2A去泛素化模块发挥作用。利用ChIP-seq发现，PEAT复合体的组分主要富集在蛋白编码基因的转录起始点附近，在全基因组水平呈现共定位，共同介导组蛋白乙酰化及H2A去泛素化。

图2：PWWP组分参与UBP5介导H2A去泛素化

总之，该研究发现了拟南芥中的关键组蛋白H2A去泛素酶UBP5，并证明UBP5其作为PEAT复合物的亚基发挥作用。PEAT复合物中的UBP5-PWWP模块和HAM1/2-EPCR模块分别负责组蛋白H2A去泛素化和H4K5乙酰化，揭示了PEAT复合物通过双重作用调控染色质状态及基因表达的分子机制(图3)。

图3：PEAT复合体调控染色质修饰工作模型

北京生命科学研究所的博士生郑思遥为论文的第一作者，何新建研究员为论文的通讯作者。其余作者包括北京生命科学研究所的关彬彬、袁丹阳、赵强强、谭连美、陈姗姗、李琳、陈涉研究员以及中国科学院生物物理研究所的许瑞明研究员和葛蔚然。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委和北京市政府的资助。

https://doi.org/10.1016/j.molp.2023.10.006