表观遗传机制是真核细胞丰富基因表达层次的重要策略。组蛋白翻译后修饰可以调控下游基因转录事件，不同组蛋白位点的不同的修饰类型通常需要被特定的“阅读器”识别，进而调控下游转录事件。转录共激活因子Spindlin1 具有串联的三个Tudor结构域，其中， 第一和第二个Tudor结构域的芳香笼口袋可以识别多种组蛋白甲基化修饰类型，其中包括H3K4me3, H4K20me3, H3“K4me3-R8me2a” 和 H3“K4me3-K9me3” 等（1-4）。然而， 由于第三个Tudor结构域由于不具有完整的芳香笼口袋，其功能尚未完全知晓。2017年，得克萨斯大学安德森癌症中心Mark Bedford 课题组鉴定 SPINDOC为Spindlin1的相互作用蛋白，并可以衰减Spindlin1的转录激活的作用，但是其分子机制尚未可知（5）。
近日，李海涛课题组与德克萨斯大学安德森癌症中心Mark Bedford 课题组、清华大学高军涛副研究员紧密合作，针对此问题在J Mol Biol 杂志在线发表了最新研究成果：“Molecular Basis for SPINDOC-Spindlin1 Engagement and Its Role in Transcriptional Attenuation”。该项工作发现SPINDOC通过一段疏水肽段与Spindlin1形成稳定的复合物，同时位于疏水肽段前的碱性肽段可以竞争性抑制Spindlin1对组蛋白的识别作用，进而减弱Spindlin1对下游基因的转录共激活作用。本论文被J Mol Biol杂志即将出版的致敬已故表观遗传学先驱C David Allis教授的“Histone and DNA modifications（2024）”专辑收录。
（全文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmb.2023.168371）
研究人员通过解析SPINDOC-Spindlin1的复合物晶体结构发现SPINDOC 一段疏水多肽形成反向平行的β-折叠片层，并稳定地与Spindlin1第三个Tudor结构域结合， 形成一个完整的β -折叠桶。值得注意的是，位于这段疏水肽段的前面还有一段富含碱性氨基酸的区域。体外ITC技术显示，尽管SPINDOC疏水肽段的结合并不影响Spindlin1对组蛋白和其他相互作用蛋白的结合能力，但位于疏水肽段前的富含碱性氨基酸的区域可以大大削弱Spindlin1对低亲和力组蛋白和相互作用蛋白的结合，比如非修饰的组蛋白H3, H3K4me3，H3K9me3 和TCF4等。然而，SPINDOC富含碱性氨基酸区域的结合并不影响Spindlin1对高亲和力的配体H3“K4me3-K9me3”的识别作用。进一步的晶体结构解析发现SPINDOC这段富含疏水氨基酸的肽段结合在Spindlin1的第二个芳香笼口袋和其周围的酸性表面，进而竞争性抑制组蛋白和其他相互作用蛋白与Spindlin1的结合。与此同时，ChIP-Seq，ChIP-qPCR和RT-qPCR实验显示SPINDOC可以影响Spindlin1的基因组分布模式，减弱Spindlin1在某些基因启动子区域的定位，并降低这些基因的转录水平，如Spindlin1的靶基因CyclinD1，rDNA，MYC等。与体外的生化实验一致，SPINDOC并不影响Spindlin1在双修饰H3“K4me3-K9me3”基因区域的定位。值得一提的是，来自香港大学的钱程民课题组在2021年报道了Spndlin1与SPINDOC疏水肽段和组蛋白二价修饰H3“K4me3-K9me3”多肽的三元复合物结构，并提出该识别事件激活rDNA转录（6），支持了我们SPINDOC不影响Spindlin1对高亲和力配体H3“K4me3-K9me3”识别的结论。
SPINDOC 选择性衰减Spindlin1对弱结合伴侣的识别作用
关于Spindlin1第三个Tudor结构域的功能，李海涛课题组在今年8月份还报道了另一个Spindlin1 第三个Tudor结构域的相互作用蛋白，乙型肝炎病毒（HBV）的调节蛋白HBx。HBx同样通过疏水作用结合在Spindlin1的 第三个Tudor结构域，并促进染色质cccDNA的基因表达。Spindlin1三个串联的Tudor结构域不仅可以通过识别组蛋白修饰影响个体发育过程中基因表达，同时还可以通过影响HBV基因组的转录来维持HBV生命周期。
清华大学李海涛教授，得克萨斯大学安德森癌症中心Mark Bedford 教授和清华大学高军涛副研究员为共同通讯作者，李海涛实验室已毕业博士生赵帆，2017级医学实验班邓雅方同学，Bedford实验室杨芬博士和高军涛实验室的严琰同学为本论文的共同第一作者，李海涛实验室的冯帆和彭博同学对本工作有重要贡献。同时，上海同步辐射光源和清华大学X-ray晶体学平台给予了大力协助。本项目得到山西医科大学-清华大学医学院前沿医学协同创新中心、清华-北大生命科学联合中心、分子肿瘤学全国重点实验室、北京生物结构前沿研究中心的大力支持。
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参考文献:
1. Yang N, Wang W, Wang Y, Wang M, Zhao Q, Rao Z, et al. Distinct mode of methylated lysine-4 of histone H3 recognition by tandem tudor-like domains of Spindlin1. Proc Natl Acad Sci U S A. 2012;109:17954-9.
2. Wang C, Zhan L, Wu M, Ma R, Yao J, Xiong Y, et al. Spindlin-1 recognizes methylations of K20 and R23 of histone H4 tail. FEBS Lett. 2018;592:4098-110.
3. Su X, Zhu G, Ding X, Lee SY, Dou Y, Zhu B, et al. Molecular basis underlying histone H3 lysine-arginine methylation pattern readout by Spin/Ssty repeats of Spindlin1. Genes Dev. 2014;28:622-36.
4. Zhao F, Liu Y, Su X, Lee JE, Song Y, Wang D, et al. Molecular basis for histone H3 "K4me3-K9me3/2" methylation pattern readout by Spindlin1. J Biol Chem. 2020;295:16877-87.
5. Bae N, Gao M, Li X, Premkumar T, Sbardella G, Chen J, et al. A transcriptional coregulator, SPIN.DOC, attenuates the coactivator activity of Spindlin1. J Biol Chem. 2017;292:20808-17.
6. Du Y, Yan Y, Xie S, Huang H, Wang X, Ng RK, et al. Structural mechanism of bivalent histone H3K4me3K9me3 recognition by the Spindlin1/C11orf84 complex in rRNA transcription activation. Nat Commun. 2021;12:949.
7. Liu W, Yao Q, Su X, Deng Y, Yang M, Peng B, et al. Molecular insights into Spindlin1-HBx interplay and its impact on HBV transcription from cccDNA minichromosome. Nat Commun. 2023;14:4663.
转载链接：https://www.med.tsinghua.edu.cn/info/1049/4357.htm
