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在真核细胞中，核小体是染色质的基本组成单元，其可以通过改变自身的定位、共价修饰组蛋白及置换组蛋白变体的方式来改变染色质的结构和调控基因表达。核小体的这些调控主要由染色质重塑复合物和组蛋白修饰复合物来执行。人源TIP60复合物(hTIP60)是一个具有17个亚基的超大型复合物(分子量约为1.7 MDa)，它的独特之处在于同时拥有组蛋白变体置换和组蛋白乙酰化活性。根据酶活和分子组成上的相似性，hTIP60被认为是酵母中SWR-C复合物(ySWR-C)和NuA4复合物(yNuA4)的融合物。研究表明，hTIP60在多种生物学过程中发挥重要作用，包括转录调控、DNA修复、细胞周期控制和胚胎发育等，同时hTIP60的突变被认为与多种癌症相关。
过往的研究报道了hTIP60复合物的同源物如ySWR-C、yNuA4、hSRCAP-C等复合物的高分辨冷冻电镜结构，从结构生物学的角度阐明了这些复合物结合底物核小体并发挥活性的机制，另外也有一些研究通过晶体学、核磁共振波谱(NMR)等技术对hTIP60复合物的部分亚基如YL1、YEATS4、MRG15-MRGBP、EPC1-MBTD1等进行了结构分析，而hTIP60复合物的完整结构信息一直处于空白状态，因此目前该复合物的组装及其结合核小体的模式仍然很不清楚。
2024年8月17日(当地时间)，复旦大学生物医学研究院/附属肿瘤医院徐彦辉、王茜敏与粤港澳大湾区精准医学研究院王丽合作，于期刊Nature Communications发表题为“Structure of the human TIP60 complex”的论文。该研究利用单颗粒冷冻电镜技术，结合交联质谱及体外生化功能分析阐明了hTIP60复合物精细的分子组装机制，并提出了该复合物作用于核小体的模型。
根据已有的关于hTIP60复合物的报道及其与yNuA4和ySWR-C复合物的同源性研究，由17个亚基组成的hTIP60复合物可被划分为5个模块，其分别为含有Snf2家族ATPase结构域的motor模块、调节性的ARP模块、发挥乙酰化功能的HAT模块、含有多个组蛋白修饰阅读器的TINTIN(Trimer Independent of NuA4 for Transcription Interactions with Nucleosomes)模块、以及用于结合转录激活因子的TRRAP模块(图1)。
图1. 人源TIP60复合物的模块化组织和结构域示意图。
该工作报道了hTIP60复合物单体状态下的冷冻电镜结构，9.4Å的整体冷冻电镜密度图表明该复合物主要由两大部分构成，这两部分被称为核心亚复合物(包括motor模块及ARP模块)和TRRAP模块，它们通过一段柔性区域连接(图1a)，随后研究人员将这两部分的分辨率均细化至3.2Å(图1b)。这些结构表明EP400亚基作为hTIP60复合物的骨架蛋白，整合了复合物的motor模块、ARP(actin-related protein)模块和TRRAP模块。在motor模块中，RUVBL1-RUVBL2六聚体是EP400亚基的ATPase结构域和YL1亚基组装的刚性核心。在ARP模块中，ACTL6A-ACTB异二聚体和一个额外的ACTL6A亚基通过疏水作用与EP400亚基的HSA螺旋进行接触；而亚基DMAP1、EPC1和EP400之间的相互作用网络增强了ACTL6A-ACTB异二聚体和EP400-HSA之间的结合。在TRRAP模块中，EP400亚基的SANT结构域及其C端区域与TRRAP亚基存在广泛的相互作用界面。总体来看，ARP模块与motor模块之间的连接非常稳定，而其与TRRAP模块之间的连接非常灵活，这是hTIP60复合物特有的结构特征。
除了上述已经确定的模块外，hTIP60复合物的整体冷冻电镜密度图中TRRAP模块和核心亚复合物之间还存在了一些较弱的密度，这些密度可能属于hTIP60复合物其他的模块，包括HAT模块和TINTIN模块(图2a)。因此在hTIP60复合物中，其HAT模块、TINTIN模块和TRRAP模块都以灵活的方式连接到核心亚复合物中，这种结构上的可塑性可能有助于该复合物在细胞中识别复杂的染色质环境并找到合适的底物。
图2. 人源TIP60复合物单体的结构：a) hTIP60 复合物在低轮廓水平(low contour level, 左) 和高轮廓水平(high contour level, 右) 的整体冷冻电镜密度图。b) 人源TIP60复合物单体状态下的冷冻电镜重构密度图及三维模型。
此外，该研究还报道了与核小体结合的hTIP60复合物的较低分辩率的冷冻电镜结构，该结构显示核小体结合在hTIP60复合物的核心亚复合物和TRRAP模块之间(图3)，值得注意的是，在对hTIP60-核小体复合物的冷冻电镜数据进行仔细的分析后，研究人员并未观察到hTIP60的核心亚复合物像其他重塑复合物那样(即催化亚基的ATPase结构域抓住核小体的DNA以进行染色质重塑)结合核小体的构象。
图3. 核小体结合状态下的人源TIP60复合物的冷冻电镜重构密度图及模型。
综上所述，该研究揭示了hTIP60复合物的motor模块、ARP模块和 TRRAP模块高分辨的结构信息，阐明了该复合物的分子组装机制及各模块之间的相互作用模式；并首次报道了和核小体结合的hTIP60复合物的冷冻电镜重构密度图，从结构生物学的角度对该复合物如何与核小体作用提供了见解，为继续探索hTip60复合物作用于染色质并调控基因表达的机制提供了线索。
复旦大学附属肿瘤医院2020级博士生陈柯(已毕业)、粤港澳大湾区精准医学研究院青年副研究员王丽和复旦大学生物医学研究院2017级直博生于子朔(已毕业)为论文共同第一作者，复旦大学附属肿瘤医院研究员/生物医学研究院双聘研究员徐彦辉、复旦大学生物医学研究院青年研究员/附属肿瘤医院双聘副研究员王茜敏和粤港澳大湾区精准医学研究院青年副研究员王丽为共同通讯作者。
注：文中插图源于 Nature Communications
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-51259-z
来 源 复旦大学生物医学研究院
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