Nucleosome is a basic unit of chromatin in Eukaryotes, which is made up of DNA and histone octamer. A variety of chromatin modifiers put covalent modifications on histones, which activate or repress the gene expression depending on the types and locations of the modifications. In this research, I investigated the structure and function of Ash1-Mrg15-Caf1 (AMC) and Polycomb Repressive DeUBiquitinase (PR-DUB) complexes, which are H3K36 dimethyltransferase and H2A K119 deubiquitinase respectively.
AMC is a complex consist of Ash1, Mrg15 and Caf1 (also known as Nurf55 or p55 in fly, and RbAp48 in human). Among these subunits, the binding mode and biological function of Caf1 remains unclear. In this research, I dissected the binding mode of Caf1 via biochemical and structural approaches. I found that Caf1 interacts to the proximal region of histone binding module cluster of Ash1 using its H4 binding pocket. Furthermore, I revealed the novel function of Caf1 in AMC complex as a sensor to discriminate the unmodified or H3K4me3 modified histone H3. This finding suggest the interplay between TrxG histone marks on active genes.
PR-DUB is a complex composed of BAP1 and ASXL1. In PR-DUB, ASXL1 provides substrate specificity to BAP1. However, the mechanism of PR-DUB recruitment to its substrate nucleosome has not been clearly identified. In this study, I investigated the cryo-EM structures of PR-DUB in complexes with unmodified/H2A K119Ub nucleosome. By comparing these two distinct structures, I proposed a binding model that PR-DUB initially binds to nucleosome by interacting on the acidic patch of nucleosome, then tightly positioned by interacting with H2A K119Ub. This model explains how PR-DUB is recruited and recognizes its target nucleosome on chromatin.
These results provide thorough understanding of the molecular mechanism by which chromatin modifiers recognize their substrate in the context of distinct histone modifications.
진핵세포내에서 히스톤에 공유성 변형을 일으키는 히스톤 변형 효소들은 그 변형의 종류와 위치에 따라 유전자의 발현을 조절한다. 본 연구에서는 이들 중 H3 K36 이중메틸화 효소인 AMC와 H2A K119 탈유비퀴틴화 효소인 PR-DUB의 분자 생화학적 기작을 규명하였다.
AMC는 Ash1, Mrg15, Caf1으로 구성되며, 이 중 Caf1의 작동 원리나 기능에 대해서는 많은 것이 알려져 있지 않다. 본 연구에서는 여러 구조 생화학적 실험들을 통하여 Caf1이 Ash1의 히스톤 인식 도메인 근처에 결합한다는 것을 밝혀냈고, AMC 복합체에서 변형되지 않은 히스톤 H3를 인식한다는 것을 보였다.
PR-DUB는 탈유비퀴틴화 효소로 그 기질인 뉴클레오좀과의 결합 기작은 밝혀지지 않았다. 본 연구에서는 PR-DUB와 유비퀴틴화된/되지 않은 뉴클레오좀 복합체의 구조를 각각 초저온전자현미경을 통해 규명하였고 PR-DUB가 뉴클레오좀의 산성 패치에 결합하고 유비퀴틴과의 상호작용으로 그 결합이 안정화된다는 모델을 제안하였다.
본 연구는 AMC와 PR-DUB의 작동 원리를 각각 구조생화학적으로 설명함으로써, 히스톤 변형 효소들이 자신의 기질을 선택적으로 인식하는 기작에 대한 깊은 이해를 제공하였다는 점에서 그 의의를 갖는다.
