中国青年学者一作，最新Science：人类NuA4/TIP60乙酰转移酶和染色质重塑复合体的结构见解

人类TIP60复合体的结构与作用机理尚不清楚

染色质的共价和非共价修饰改变其结构和稳定性，对基因表达的调控至关重要。人类Tat相互作用蛋白(TIP60)复合体是酵母核小体组蛋白H4乙酰转移酶(NuA4)和开关/蔗糖不可发酵相关1(SWR1)复合体的融合产物，参与组蛋白乙酰化。H2A.Z-H2B组蛋白交换和对细胞活力至关重要，在基因调控和DNA双链断裂修复中发挥作用。TIP60的突变与多种疾病有关，包括癌症和阿尔茨海默病。然而，目前对其组装及其双重功能背后的机制缺乏了解。TIP60与转录因子相互作用，并可通过其最大亚基转化/转录结构域相关蛋白(TRRAP)被招募到特定位点，该亚基与乙酰转移酶(SAGA)复合物共享。TRRAP是如何在这两个大的复合物之间划分的，它在TIP60中的具体作用仍有待探索。

NuA4/TIP60染色质修饰复合体的结构特征及其调控机制

在这项研究中，加州大学伯克利分校Eva Nogales团队华人一作Zhenlin Yang报道了NuA4/TIP60染色质修饰复合体的结构特征及其调控机制。结果表明，这个多亚基复合体同时具有整合H2A.Z组蛋白变体和乙酰化修饰H4、H2A、H2A.Z的双重功能，在基因表达调控和基因组稳定性维持中发挥关键作用。其中，EP400亚基作为一个支架蛋白维持复合体内部不同功能模块的特定空间排布，而TRRAP亚基的缺失则导致复合体的亚细胞定位异常，引起H2A.Z分布和乙酰化状态的广泛变化。这种精细的结构-功能关系调控机制，为进一步理解染色质修饰复合体在基因调控网络中的作用机理提供了重要的新思路。相关工作以“Structural insights into the human NuA4/TIP60 acetyltransferase and chromatin remodeling complex”为题发表在Science。

【文章要点】

一、人类NuA4/TIP60复合物的整体结构

作者详细描述了利用嵌合亚基EPC1纯化的内源性TIP60染色质修饰复合体的结构和功能特征。纯化的TIP60复合体具有替换核小体中H2A为H2A.Z的功能，且这一活性可被乙酰化辅因子A进一步增强，表明TIP60复合体的组蛋白乙酰化和H2A.Z交换活性是协调调控的。通过cryo-EM结构分析，发现EP400亚基作为一个重要的支架蛋白，维持TIP60复合体内部不同功能模块的特定空间排布，包括ARP、BASE、TRRAP等模块。为进一步研究TRRAP与TIP60的结构关系，作者构建了EP400C端截断突变体，成功纯化出TRRAP模块并获得了3.4Å分辨率的密图，建立了其与EP400的原子模型。综上所述，该研究通过多种结构生物学手段，深入阐明了TIP60复合体内部亚基的精细排布和相互作用，为理解这个关键染色质修饰复合体的多元功能调控机制提供了重要依据。

图1 人类NuA4/TIP60复合物的整体结构

二、TIP60 ARP模块的结构

作者深入分析了TIP60复合体内部ARP模块的结构特点及其在整个复合体中的中心地位。ARP模块作为复合体的中心支架，通过复杂的亚基间相互作用整合了多个功能模块，包括负责H2A.Z替换的ATP依赖重塑模块、调控乙酰化的HAT模块，以及灵活连接的TRRAP和TINTIN模块。其中，EP400蛋白是关键的支架亚基，维持这些模块的特定空间排布。与酵母NuA4和人SRCAP复合体相比，TIP60通过结构上的独特演化，整合了染色质修饰和重塑的双重功能，细致调控基因表达和组织发育过程。这种精致的结构-功能关系为进一步理解TIP60复合体在染色质动态调控网络中的作用机制提供了重要线索。

图2 TIP60 ARP模块的结构

三、TRRAP与TIP60复合物的结合

作者发现TRRAP通过其FAT和HEAT结构域与EP400的SANT和HD结构域形成稳固的相互作用，其中一些关键氨基酸位点的突变与癌症相关。TRRAP与TIP60其他模块的连接并非严格固定，TRRAP模块具有较大的运动范围，这与酵母NuA4和人SAGA复合体中TRRAP的紧密锚定不同。EP400与TRRAP的灵活连接，可能使TIP60复合体的功能域能够更广泛地作用于染色质，从而增强对基因表达调控的适应性。这种结构特点与TIP60在干细胞中富集于活跃增强子区域的功能相吻合，可能允许复合体在cis以及跨染色质的3D结构中，实现更广泛的染色质修饰和H2A.Z替换，进而调控基因活性。总之，TRRAP模块在TIP60复合体中的灵活结构安排，赋予了复合体更大的功能调节空间和适应性，突出了其在干细胞关键基因表达调控中的重要作用。

图3 TRRAP与TIP60复合物的结合

四、TRRAP招募模块的缺失导致H2AZ在基因组中的重新分布

作者通过CRISPR和dTAG技术构建的细胞系，可以有效消融内源性EP400，并用野生型或缺失TRRAP结合域的突变型EP400进行补救，从而研究TRRAP缺失对复合体功能的影响。ChIP-seq数据表明，当TRRAP缺失时，TIP60复合体可能从高H2A.Z/H2A.Zac和高表达的基因位点流失，并重新结合到原本低水平的位点，导致这些区域H2A.Z/H2A.Zac和表达水平的变化。ChIP-qPCR实验进一步证实，TRRAP缺失导致TIP60复合体从代表性靶基因CCND1流失，而重新结合到原本不活跃的DACH1基因区域，说明TRRAP在复合体的基因组定位中起重要作用。综上所述，这些功能实验结果与前述的结构分析相吻合，验证了TRRAP模块通过与EP400的特异性相互作用，维系了TIP60复合体在基因组上的精确定位，从而调控H2A.Z替换和乙酰化的动态过程，进而影响关键靶基因的表达。

图4 TRRAP招募模块的缺失导致H2AZ在基因组中的重新分布

【结论与展望】

图5 TIP60复合物的结构及其在基因表达中的作用

TIP60 功能失常与多种癌症有关，包括结肠癌、肺癌、乳腺癌、胰腺癌、胃癌和转移性黑色素瘤。它还与阿尔茨海默病等神经系统疾病有关。在此，作者的研究定义了TIP60的结构组织，揭示了H2A.Z-H2B交换的协调和组蛋白乙酰化活性，并证明TRRAP模块在定义基因组活性区域中的功能重要性。这些发现有助于对TIP60的组装和结构的分子理解，并有望开发与TIP60活性位点结合的分子以缓解疾病进展。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl5816