组蛋白H2AK119位点单泛素化修饰（H2AK119Ub）是调节基因转录、DNA损伤修复和高阶染色质结构的关键表观遗传学标志。H2AK119Ub由泛素E3连接酶PRC1写入，并被USP3, USP12, USP16, USP21, USP22, USP46, PR-DUB and Mysm1等多种去泛素化酶擦除。其中，USP16是最早在2007年被鉴定到的H2AK119Ub核小体去泛素酶。USP16对H2AK119Ub的擦除在细胞周期M期进展、基因表达、干细胞自我更新和细胞衰老中至关重要。在阿尔茨海默症中，抑制USP16表达能逆转干细胞衰老和记忆丧失【1】。此外，基因定位在二十一号染色体的USP16在唐氏综合征（也称“21-三体综合征”）患者体内剂量依赖地过表达，导致干细胞缺陷等障碍【2,3】。尽管USP16具有很重要的生理与病理功能，但我们尚不清楚USP16催化H2AK119Ub核小体去泛素化的机制细节。
近期报道的H2AK119Ub被异源二聚体去泛素化酶PR-DUB选择性擦除的机制显示PR-DUB催化亚基BAP1和辅因子ASXL协同识别核小体H2A-H2B酸性区域、核小体DNA SHL 0和SHL 6，将BAP1的活性中心靶向H2AK119Ub的异肽键，进而切割泛素【4,5】。然而，USP16与PR-DUB分属不同的去泛素化酶家族（USP家族与UCH家族），且USP16以单亚基形式独立擦除H2AK119ub（BAP1需要ASXL激活），表明USP16通过一种独特的识别和催化机制去泛素化H2AK119Ub核小体。
2024年6月25日，清华大学化学系刘磊团队和上海交通大学潘漫团队在Nature Structural & Molecular Biology在线发表Structural and mechanistic basis for nucleosomal H2AK119 deubiquitination by single-subunit deubiquitinase USP16的研究文章，揭示了人源单亚基去泛素化酶USP16以一种不依赖于核小体酸性区域的独特模式识别和去泛素化H2AK119Ub核小体，展现出与PR-DUB完全不同的H2AK119Ub去泛素化机制。
本研究中，作者首先通过本团队2011年发展的多肽合成领域广泛使用的多肽酰肼法【6】、通过四片段分割法化学合成了具有天然异肽键链接的H2AK119Ub组蛋白（图1），并与其它三种核心组蛋白（H2B、H3、H4）组装成八聚体，随后缠绕601序列的DNA组装成H2A K119位点精准泛素化修饰的核小体。体外去泛素化实验表明，USP16在H2AK119Ub核小体底物而非组蛋白八聚体底物上具有泛素切割活性，表明USP16行使功能依赖完整的核小体结构。
图1. 天然异肽键的H2AK119Ub组蛋白的化学合成路线【7】（Credit: Nature Structural & Molecular Biology）
接着，为构建稳定酶-底物复合物，作者通过二溴丙酮方法合成了H2AK119Ub模拟物样品（图2）【8】，将泛素的羧基末端与H2A K119C的侧链通过烷基化反应连接起来，该链接形式可以耐受去泛素化酶的水解切割。
图2. 异肽键不可水解的H2AK119Ub组蛋白的化学合成【8】（Credit: Nature Structural & Molecular Biology）
随后作者将该不可水解的H2AK119Ub组蛋白组装成核小体，与人源全长USP16蛋白组装复合物，并通过冷冻电镜解析了整体分辨率为3.05 Å的1:1结合比例的复合物结构。在该结构中，USP16与H2AK119Ub核小体的相互作用主要分为三个部分：1) USP16的碱性残基R755和K272/K273分别识别核小体SHL 6.5和SHL 0 DNA；2) USP16与组蛋白H2A羧基末端尾巴和H2B羧基末端螺旋相互作用；3) USP16识别泛素分子上的L8、I36、I44和L71/L73互作热点区域。令人意外的是，USP16不与核小体上的染色质互作热点区域——H2A/H2B酸性区域产生相互作用。
综上，这项研究揭示了单亚基去泛素化酶USP16擦除H2AK119Ub修饰的独特机制，强调了H2AK119Ub去泛素化机制的多样性，为理解USP16的疾病相关突变提供了结构框架。
向期刊提交的封面概念图：核小体H2AK119Ub擦除模式的多样性，后方的起钉锤（PR-DUB）需要以木板（核小体H2A/H2B酸性区域）为支点拔出钉子（H2AK119Ub）；前方的钳子（USP16）不需要木板支撑即可拔出钉子（H2AK119Ub）（Credit: Nature Structural & Molecular Biology）
参考文献
https://www.nature.com/articles/d41591-024-00013-5
