赖氨酸乙酰转移酶KAT8的入核转运及与细胞核输入蛋白IMPα相互作用的结构机理研究

摘要

作为真核细胞的显著特征，核膜包裹的细胞核将核内的遗传物质和转录单元与细胞质内的翻译单元和代谢单元分割了开来，这种分割方便了细胞对包括基因表达、信号传导和细胞周期等众多细胞生理活动的调控。特定组分在细胞质和细胞核间的选择性双向运输就是这种调控的一项关键特征，大分子货物蛋白从细胞质向细胞核定向运输需要货物蛋白的核定位信号NLS、识别并结合NLS的接头蛋白细胞核输入蛋白IMPα及载体分子细胞核输入蛋白IMPβ三方的协调作用。目前多种货物蛋白NLSs与细胞核输入蛋白IMPα的相互作用和结构生物学研究极大的帮助了我们对核质蛋白转运机理的研究。
　　细胞核输入蛋白IMPα1，作为细胞核输入蛋白IMPα家族的一员，通常充当通用入核载体而能与细胞内许多蛋白结合。赖氨酸乙酰转移酶KAT8，是组蛋白乙酰转移酶类HATs中MYST家族一员，参与了细胞众多最重要的生理与遗传过程，包括基因转录调控、染色质组装、细胞周期调控、核仁结构的维持、DNA损伤修复和细胞凋亡等。目前已经证明一部分功能是通过对H4 K16的乙酰化实现的，另一部分则可能通过修饰其他的底物。研究证实KAT8的这些功能的发挥都是在细胞核内进行的，不过它的合成却是在核外核糖体上完成的，因此弄清楚KAT8的入核转运机理可能有助于我们理解KAT8发挥上述重要功能的作用机理，从而可以为细胞周期调控、DNA损伤应答、细胞凋亡等活动的靶向药物设计提供新的思路和潜在的药物靶点。
　　在本文中，我们通过免疫共沉淀实验首次发现KAT8能和货物蛋白的通用入核载体IMPα1间发生相互作用而揭示出赖氨酸乙酰转移酶KAT8可能借助核质蛋白转运系统进行转运。随后我们纯化、结晶并解析出了2.3(A)条件下His-IMPα1(70-499)& IMPα1(121-169)复合物的晶体结构。晶体结构显示KAT8以两段NLS多肽序列分别结合到了IMPα1上的主要结合位点Major site和次要结合位点Minor site上。结合在次要结合位点Minor site上的KAT8 NLS采取了类似于核内RNA解螺旋酶Guα NLS等的结构模式，即其C末端的氨基酸残基形成了一个单圈α螺旋，不过这个α螺旋的稳定却是依靠了内部的氢键作用及作用力更强的KAT8 NLS与IMPα1上带相反电荷的氨基酸残基的离子键作用。在细胞水平上的突变实验一方面揭示了KAT8 NLS上一些氨基酸残基对于介导KAT8与IMPα1的结合发挥了重要作用，在另一方面也验证了所得结构的合理性。由于KAT8与IMPα1间不同寻常的结合方式，KAT8&IMPα1复合物的当前结构将方便我们设计一些特异干扰KAT8入核转运，却不会影响其他货物蛋白入核转运的小分子抑制剂。这项研究也为我们针对细胞周期调控、DNA损伤应答、细胞凋亡等活动的靶向药物设计提供了新的思路和潜在的药物靶点。