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生物化学杂志。作者手稿;PMC 2009年8月31日发布。
以最终编辑形式发布为:
预防性维修识别码:PMC2735445型
美国国立卫生研究院:NIHMS83549标准
PMID:17142463

蛋白质组全分析酿酒酵母将几个PHD指鉴定为赖氨酸4或赖氨酸36甲基化的组蛋白H3的新型直接和选择性结合模块*

关联数据

补充资料

摘要

PHD指基序是一种在真核蛋白质组中发现的特征染色质相关基序。在这里,我们测定了PHD手指中存在的组蛋白-甲基赖氨酸结合活性酿酒酵母蛋白质组。我们在基因组尺度上提供了证据,证明PHD手指构成赖氨酸4(H3K4me3)下三甲基化组蛋白H3和赖氨酸36(H3K36me3)下三甲化组蛋白H13的一类效应器模块。PHD指的结构建模证明了识别三甲基部分的保守机制,并提供了对不同甲基-雌酮配体亲和力的分子基础的见解。总之,我们的研究表明,PHD手指的一个常见功能是转导甲基赖氨酸事件,并阐明了单个组蛋白修饰如何与多种生物结果相联系。

调节染色质结构的主要机制之一是组蛋白通过乙酰基、甲基和磷酸基等化学成分进行可逆共价翻译后修饰(12). 不同的组蛋白修饰与离散的染色质状态有关,被认为调节DNA对交易因子的可及性程度。在这种情况下,识别组蛋白修饰的蛋白质和结构域被称为“效应器”,通过将染色质的分子事件转化为生物结果来定义特定修饰的功能后果(). 越来越多的证据表明,染色质调节蛋白中普遍存在的进化保守结构域,如溴代多巴胺和染色质结构域,起到了这种效应器的作用(45).

PHD指(植物同源结构域)是一个在真核蛋白质组中发现的特征染色质相关结构域。因此,ING2和BPTF蛋白的PHD指最近被证明是赖氨酸4(H3K4me3)三甲基化组蛋白H3的高度特异性效应器(67)表明H3K4me3识别,或更广泛地说,组蛋白-甲基赖氨酸结合,可能是PHD手指的常见特征。然而,与这一假设相反,许多其他PHD指以独立于翻译后修饰的方式与核小体结合,或者没有可检测到的组蛋白结合活性(689). 为了获得对PHD指功能的基因组尺度理解,我们在这里测定了PHD指中存在的组蛋白甲基赖氨酸结合活性酿酒酵母蛋白质组。我们的研究确定H3K4me3或H3K36me3识别是大多数酵母PHD手指共同的活动,认为该域的一般功能是转导赖氨酸甲基化事件。

材料和方法

肽合成与克隆

如前所述合成生物素化组蛋白肽(6). 中列出的PHD域的编码序列表1通过PCR从酵母基因组DNA(M.Cyert,Stanford Unviersity慷慨捐赠)中扩增,并克隆到pGEX-6P载体中。

表1

生物化学和遗传功能相互作用概述酿酒酵母PHD指蛋白

姓名PHD域甲基赖氨酸相互作用
HMT相互作用
染色质功能b条
K4时间K36米K79米设置1设置2点1
第23页280–329√√√++Rpd3/HDAC复合体
Yng1号机组222–271√√√++NuA3 HAT综合体
Yng2号机组155–204√√√+NuA4 HAT综合体
再见174–132√√√负转录延伸调节因子
Cti6公司74–121√√√+Rpd3/HDAC复合体
Jhd1美元6–70√√√H3K36高密度聚乙烯
Spp1型24–70√√√++Set1c/HMT综合体
设置3119–164√√√++Set3c/HDAC复合体候选HMT
发动机控制模块51240–1288√√候选HMD
1号机组1: 265–311#√√++NuA3 HAT综合体
2: 375–439纳秒纳秒
俄罗斯国家石油公司11: 262–307纳秒纳秒+Rpd3/HDAC复合体
2: 416–470纳秒纳秒纳秒
Snt2系列1: 319–367未知
2: 1040–95纳秒
3: 1178–1249
设置4162–208候选人HMT
Yj89型237–283候选HDM
√√,互动性强,适度互动;√,弱相互作用;NS与肽结合而与赖氨酸甲基化无关;
#,Nto1-1与非甲基化H3肽氨基酸1–21弱结合(参见图2B).
b条参考资料见补充材料。组蛋白脱乙酰酶;组蛋白乙酰转移酶;HDM,组蛋白脱甲基酶。

肽下拉分析和亲和力测量

0.5μg具有不同修饰的生物素化组蛋白肽与1μg商品及服务税4-如前所述,绑定缓冲区中的熔接PHD指(6)如图所示,使用150或300 mM NaCl。色氨酸荧光光谱实验测定离解常数(K(K)d日PHD手指相互作用的数值)如前所述(10).

肽微阵列

使用VersArray Compact Microarrayer(Bio-Rad)将生物素化组蛋白肽一式三份打印到链霉亲和素涂层载玻片(ArrayIt)上。用生物素(Sigma)短暂封闭后,将载玻片与GST融合的PHD指在结合缓冲液(50 mM Tris-HCl,pH 7.5,300 mM NaCl,0.1%Nonide P-40,1mM苯甲基磺酰基氟化物,20%胎牛血清)中孵育,在4°C温和搅拌过夜。在用相同的缓冲液清洗后,用抗GST抗体和荧光素结合的二级抗体探测载玻片,并用GenePix 4000扫描仪(分子器件)进行可视化。

蛋白质微阵列

基本上如前所述生成蛋白质微阵列(11). 简单地说,0.25μg GST融合蛋白与PHD手指酿酒酵母使用FLEXYS®机器人(Genomic Solutions)在预先涂有硝化纤维素聚合物(Schleicher&Schuell)的玻璃载玻片上发现了两个副本。阻断后,将排列好的载玻片与Cy3标记的组蛋白肽孵育,并使用GeneTAC™LSIV扫描仪(Genomic Solutions)检测荧光信号。还用抗GST抗体对阵列进行了检测,以控制负载。

酿酒酵母中含PHD指蛋白的功能和相互作用的原位硅分析

根据1)BioGRID数据库搜索,2)酿酒酵母基因组数据库搜索,以及3)存在具有特征酶活性的结构域,PHD指蛋白被指定为功能,并作为与Set1、Set2和Dot1的相互作用物进行评分。

PHD指的分子模型

利用MODELER建立了含有和不含结合肽的PHD手指的同源模型(12)(Ecm5(博士),Cti6(博士)和N1(博士))或使用SWISSMODEL(13)(Yng1年(博士),Yng2年(博士)和Pho23(博士)和Spp1(博士),设置3(博士)和Set4(博士))使用ING2和BPTF PHD域的结构(蛋白质数据库ID:2G6Q和2F6N)作为模板。通过SCWRL3算法预测侧链的构象(14)除了与金属离子配位的残留物,这些残留物保留了原来的构象。滑翔对接算法(15)用于建立H3(33–38)K36me肽与Emc5的结合模式(博士).使用PyMOL可视化软件分析模型(16).

结果和讨论

与存在大量潜在甲基化位点的人类表观基因组相比酿酒酵母表观基因组适合于基因组规模的分析,因为它被认为只包含三个甲基化赖氨酸残基:H3K4、H3K36和H3K79。SMART和Pfam数据库搜索酿酒酵母基因组显示共有18个典型和非典型PHD指,存在于14个蛋白质中(表1). 实际上,所有这些蛋白质都是具有已知或候选染色质调节功能的核蛋白,包括组蛋白去甲基化酶(Jhd1、Ecm5和Yj89)、组蛋白甲基转移酶以及组蛋白乙酰化的相关蛋白(Set3、Set4和Spp1)调节剂(Cti6、Nto1、Pho23、Rco1、Yng1和Yng2)和转录调节剂(请参见表1). 为了筛选这些PHD指的组蛋白甲基赖氨酸结合活性,用融合到GST的PHD指探测含有甲基化组蛋白肽或相应未修饰对照肽的组蛋白肽微阵列(图1A类). 与之前的工作一致,该分析揭示了来自三个酵母ING2家族成员Yng1、Yng2和Pho23的PHD手指与H3K4me2/3肽的强结合(图1A类) (61017). 此外,在来自Bye1、Cti6、Jhd1、Set3和Spp1的甲基化H3K4和PHD指状物之间检测到新的相互作用(图1A类). 第二种筛选策略是用组蛋白肽探测含有重组GST PHD结构域的蛋白质微阵列,检测到三种酵母ING蛋白,但其他PHD手指的ING蛋白较弱或根本没有(图1B类) (11). 这种差异表明,在筛选目的上,肽微阵列比蛋白质微阵列更为敏感,可能是因为在打印过程中重组PHD手指很难正确折叠(图1; 数据未显示)。使用这两种分析,未检测到与甲基化Lys的相互作用36或Lys79多肽(图1A类; 未示出的数据)。

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PHD手指组蛋白甲基赖氨酸结合活性的鉴定酿酒酵母蛋白质组

A类,肽微阵列识别酿酒酵母PHD手指具有H3K4me结合活性。如示意图所示,将指示的生物素化组蛋白肽一式三份排列在链霉亲和素涂层载玻片上,并用指示的GST-PHD指状融合蛋白进行探测。ING2公司(博士)和GST分别显示为阳性和阴性对照。B类,H3K4me3肽与蛋白质微阵列芯片上打印的PHD指纹结合。如示意图所示,将所示的GST-PHD手指融合蛋白一式两份排列在硝化纤维载片上,并用所示的组蛋白肽进行探测。抗-GST抗体探针显示为蛋白质负荷的对照。

为了通过第三种方法验证绑定数据,根据我们的经验,这种方法更加敏感,5 在体外采用生物素化未修饰和甲基化组蛋白肽的结合试验(图2A类). 与蛋白质微阵列研究获得的数据一致,发现Yng1、Yng2、Pho23、Bye1、Cti6、Jhd1、Set3和Spp1的PHD指均与H3K4me特异结合,而未观察到与K36me或K79me肽结合(图2; 有关解除关联常数,请参阅图2c(c)). 此外,偏爱与三甲基化物种结合除Spp1外,所有PHD手指均观察到低甲基化物种(图2A类). 与H3K4me结合的酵母蛋白质组中没有进一步的PHD指。根据这些数据,我们得出结论,在含有PHD指的14种蛋白质中,有8种在酿酒酵母蛋白质组(18个PHD手指中的8个)具有H3K4me识别活性,因此是这种修饰的新候选效应域(表1).

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H3K4me3或H3K36me3识别是酿酒酵母PHD手指

A类,优先结合H3K4甲基化的更高状态酿酒酵母PHD手指。在严格的条件下(300 mM NaCl)对组蛋白肽的下拉进行Western分析,显示GST融合蛋白和生物素化肽(aa公司:氨基酸)。B类,多个酿酒酵母PHD手指绑定到H3K36me3。所示蛋白质在下拉试验中进行了测试,如下所述A类,但使用了150 mM NaCl结合缓冲液。C类,解除关联常量(K(K)d日)用Trp荧光法测定了具有指示肽的指示PHD指。

未结合H3K4me的PHD手指也进行了H3K36me和H3K79me识别活动测试。值得注意的是,许多PHD指与H3K36me弱结合,PHD指来自假定的组蛋白去甲基化酶Ecm5,并且PHD指存在于NuA3相关蛋白Nto1中,与H3K 36me3结合最好(图2B类). 色氨酸荧光实验和测定的解离常数证实了这些相互作用(图2C类). 使用微阵列筛查无法通过Ecm5和Nto1 PHD手指检测H3K36me-binding(参见图1)表示使用这些方法的检测阈值需要K(K)d日值<100μM(M)(图2C类). 与甲基化和非甲基化组蛋白肽结合的不同蛋白质中存在许多额外的PHD指,但与特定配体没有显著的亲和力(图2b条). 因此,18个酵母PHD指中有10个显示出甲基赖氨酸结合活性(表1). 基于这些数据,我们得出结论,组蛋白甲基赖氨酸识别活性是PHD手指的一个常见特征酿酒酵母蛋白质组。

催化H3K4、H3K36和H3K79甲基化的三种HMT分别是Set1、Set2和Dot1。因此,我们确定具有PHD指的具有甲基-甾酮结合活性的蛋白质是否与其中一种HMT有遗传或物理联系。值得注意的是,除Bye1和Jhd1外,所有H3K4me绑定器都被标识为Set1交互器,与H3K36me3绑定的Nto1链接到Set2(表1; 参见“讨论”)。对于不能结合甲基化组蛋白的四种蛋白质,未发现与HMT的联系(表1). 这些数据表明PHD手指的甲基孕酮识别特性与其同源蛋白的功能之间存在联系。

ING2和BPTF的PHD指对H3K4me3特异性的分子基础其他甲基化赖氨酸是通过将H3K4的三甲基部分和H3R2的长侧链协调配合到由不变色氨酸包围的相邻表面囊中来实现的(图3b条) (1018). 在这种情况下酿酒酵母PHD指状物以及ING2和BPTF的指状物表明,许多酵母PHD指形物包括预测在适当线性位置上对相互作用至关重要的残基(图3A类). 例如,ING2同源物和Spp1(博士)具有完整的保守残基补体,并确实与H3K4me3结合。其他PHD手指,包括Bye1(博士),Cti6(博士),Jhd1型(博士)、和集3(博士)仅部分保守但仍与H3K4me3结合,而Ecm5(博士)尽管具有H3K4me3结合所需的几乎所有已知保守残基,但识别H3K36me3而不是H3K4me3(图。(图22和3A)。3A级). 最后,集合4(博士)含有不变的色氨酸残基,即使在尝试设计失去功能的Set4之后,也没有检测到组蛋白-甲基赖氨酸结合活性(博士)通过引入ING2活性所必需的全套残基来获得蛋白质(博士)和BPTF(博士)(补充图1). 基于这些数据,我们认为保守序列信息为PHD手指的潜在组蛋白-甲基赖氨酸结合活性提供了一个重要但有限的预测值元素。

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H3K4me3结合的分子特征酿酒酵母PHD手指

A类,PHD手指的序列对齐酿酒酵母来自人类ING2和BPTF的。锌配位残留物用阴影遮盖红色; 甲基-H3K4相互作用所必需的ING2 PHD指中的残基(三角形)和H3R2(圈子)显示。请注意,BPTF(博士)利用额外的酪氨酸形成K4me-结合笼(18). 用于诱变研究的替代残留物用箭头底部路线的。序列比对是使用ESScript web服务器生成的。B类,Spp1的结构模型(博士)和集合3(博士)与H3(1-6)K4me3肽络合。蓝色组蛋白肽;红色,形成甲基-K4结合笼的残留物;黄色的,H3R2相互作用必需的残基。ING2的结构(博士)-H3K4me3复合物用于比较。C类,用指示PHD手指突变体进行肽下拉分析(左边,W>A;正确的,D>A)按照说明执行图2A类.

我们转向结构建模,以更好地了解甲基赖氨酸亲和力的分子决定因素和各种PHD指的特异性。该分析揭示了由对确定H3K4me3对ING2的特异性至关重要的残基形成的类似结构表面实体(博士)和BPTF(博士)由芳香笼和由色氨酸残基包围的相邻凹槽组成,预计在所有H3K4me-binding酵母PHD手指中都存在(图3b条补充图2) (1018). 值得注意的是,来自Bye1、Cti6、Jhd1和Set3的PHD指状物缺乏保守的酪氨酸残基,该残基形成ING2和BPTF的芳香笼的一部分,取而代之的是具有附近位置相似的庞大残基(图3b条补充图2). 这些数据表明酿酒酵母PHD手指使用与哺乳动物ING2类似的分子机制(博士)和BPTF(博士)区分H3K4me3其他甲基化赖氨酸。我们通过生成所有H3K4me3-结合PHD手指的丙氨酸突变体直接测试了这一概念,将等效残基作为天冬氨酸230(与H3R2形成关键的静电相互作用)和Trp238ING2的(博士)(图3A类箭头). 如所示图3C类,每个突变体都破坏了同源PHD指结合H3K4me3的能力,为支持结构建模提供了实验证据。

接下来,我们询问是否建模Ecm5(博士)和N1(PHD-1)可能为H3K36me3识别的分子基础提供了见解。尽管一级氨基酸序列存在显著差异,但建模预测,两个PHD手指使用相同的表面形成K36me3-结合囊,正如已知的K4me3-结合物所使用的那样(图4,A类B类). 在这方面,甲基-Lys结合囊内的突变在很大程度上消除了PHD手指与H3K36me3肽的相互作用(图4C类). 甲基化赖氨酸的特异性36赖氨酸4可能是由于周围的氨基酸序列。具体来说,Glu的大侧链1254在Ecm5中(博士)和Phe285在Nto1中(PHD-1)处于对H3R2长侧链进行空间位阻的位置(图4,A类B类). 相反,H3K36的周围区域更灵活,因此空间位阻的影响较小。总之,这些数据表明PHD指可能使用相同的机制结合三甲基,围绕甲基化赖氨酸的序列和PHD指表面之间的额外接触决定配体特异性。

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H3K36me3通过酿酒酵母PHD手指

A类,Ecm5的结构模型(博士)与H3(1-6)K4me3络合物(右侧面板)和H3(33–38)K36me3(左侧面板)肽,如图3B类,除了黄色的残留物表示Glu1254(见“结果和讨论”)。B类,Nto1的结构模型(博士),表示形成芳香笼的残基。残留物Phe285如所示黄色的(见“结果和讨论”)。C类,使用所述GST-融合PHD突变体进行肽下拉分析图2B类.

H3K4和H3K36的甲基化事件与多种多样的活动有关(519). 我们的基因组规模分析表明,PHD手指可能是将这些甲基化事件转化为不同表观遗传程序的关键分子介质(20). 在这种情况下,在酵母蛋白质组中,具有甲基赖氨酸结合活性的PHD指存在于具有多种功能的蛋白质中,包括甲基化和乙酰化调节剂(表1). 这些和其他数据提出了一个问题,即不同蛋白质中的效应器如何识别相同的修饰,从而潜在地表现出不同的生物学结果。有相当多的证据表明,效应器域的孤立识别事件对于确定染色质调节蛋白的表观基因组定位是必要的,但还不够。充分性很可能由以组合方式运行的多个并发交互决定,以生成特定的本地化(21). 在这方面,许多染色质调节蛋白和复合物包含多个效应域。例如,NuA3复合物具有两种PHD指蛋白,Yng1和Nto1,它们分别与H3K4me3和H3K36me3结合,并且产生H3K4me3(SET1)和H3K36me3(SET2)的酶都是NuA3与染色质结合所必需的(1722). 许多额外的分子相互作用,例如由局部特异性转录因子播种的蛋白质相互作用网络,预计将有助于染色质调节活动的表观基因组定位。因此,对特定甲基赖氨酸事件的识别将根据周围的染色质背景表现出不同的表现,因此,提供了大量的信号灵活性。

观察到,超过一半的酿酒酵母PHD指具有甲基赖氨酸结合活性,同时这些PHD指的序列具有相当大的多样性,这表明人类蛋白质组中甲基赖氨碱结合物的数量肯定远大于仅基于与ING2和BPTF的PHD指同源性的预测。最后,许多PHD手指无法与甲基化组蛋白结合,这一事实提出了一个有趣的可能性,即这些PHD手指能够识别非组蛋白上的甲基化赖氨酸(23).

补充材料

补充信息

单击此处查看。(336K,pdf格式)

脚注

*这项工作得到了国家卫生研究院(给S.D.B.、P.J.U.和T.G.K.)、加拿大卫生研究院和迈克尔·史密斯基金会(给L.H.)、巴克斯特基金会和达纳基金会(对P.J.U)、韦尔奇基金会(向M.T.B)和金梅尔基金会(到O.G.)的资助。

本文的在线版本(可在http://www.jbc.org)包含补充图。12.

4使用的缩写如下:

消费税
谷胱甘肽S公司-转移酶
HMT公司
组蛋白甲基转移酶。

5X.Shi和O.Gozani,未发表的观察结果。

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