表觀遺傳是確保生物表型復雜性和多樣性的關鍵機制。Rpd3是一類全局基因調控因子和共抑制因子，于1996年首次被報道作為組蛋白去乙酰化酶（HDAC）發揮作用；這一發現與同年組蛋白乙酰轉移酶GCN5的轉錄共激活功能發現一起，標志了現代表觀遺傳學的興起。作為Class-I類型HDAC的原型代表，來自酵母的Rpd3可以形成Rpd3S（分子量0.6兆道爾頓）和Rpd3L（分子量1.2兆道爾頓）兩類多亞基酶分子機器，能夠分別響應H3K36me3或H3K4me3兩類上游組蛋白甲基化信號，在不同染色質功能區段（轉錄延伸區或啟始區）介導組蛋白H3和H4去乙酰化反應，精密調控基因表達。研究表明，人體中Rpd3S/L同源復合物Sin3B/A的功能異常與腫瘤、心血管疾病等發生相關，是重要的藥物開發靶點。
Rpd3S介導的染色質甲基化與乙酰化動態調控
a. 組蛋白去乙酰化酶Rpd3S復合物的分子結構基礎；b. Rpd3S復合物H3K36me3修飾引導下核小體催化與調控分子模型；c-d. Rpd3S在H3K4un和H3K36me3修飾引導下調控核小體組蛋白H4和H3去乙酰化過程機理；e. Rpd3S催化保留的H3K9ac與H3K36me3共同作為 “種子” 參與招募乙酰化轉移酶NuA3/NuA4復合物促進乙酰化的快速重新建立。
近日，清華大學醫學院李海濤和生命學院閆創業合作團隊在Rpd3S介導的染色質去乙酰化動態調控機制上取得重要突破，相關成果以“Diverse modes of H3K36me3-guided nucleosomal deacetylation by Rpd3S”（組蛋白H3第36位賴氨酸三甲基化指引下的多模式Rpd3S核小體去乙酰化）為題，于2023年7月19日在《自然》（Nature）雜志作為研究長文發表。
首先，研究者利用化學生物學手段合成出性質均一的修飾組蛋白并成功組裝出多種修飾組合類型的“人工設計”核小體。隨后，通過單顆粒冷凍電鏡技術解析了釀酒酵母Rpd3S復合物在自由狀態和結合H3K36me3核小體狀態下的分子結構模型。進而，研究者以復合多修飾核小體為底物系統探究了Rpd3S復合物去乙酰化酶活的特異性，并利用酵母遺傳學等功能實驗驗證其調控模式。通過上述研究，研究者對Rpd3S復合物的組裝模式、底物識別催化和修飾指引調控等過程進行了全面的分子機制解剖。本研究揭示了Rpd3S復合物在識別核小體底物和甲基化介導的去乙酰化調控過程中的動態和多樣化模型，凸顯出表觀遺傳調控的復雜精妙性，并展示了大自然通過形成多亞基大復合物來實現調控能力的精巧設計。
該研究成果展示Rpd3S的獨特結構，其中兩個Eaf3-Rco1異源二聚體與Rpd3和Sin3不對稱地結合形成一個催化核心復合物。Eaf3、Sin3和Rco1分別參與對于兩個H3K36me3修飾標簽、核小體DNA和連接區DNA的多價識別，將Rpd3的催化中心定位在組蛋白H4 氨基末端尾部附近進行去乙酰化酶活。在另一種催化模式中，Rco1和Eaf3通過識別非修飾的組蛋白H3第4位賴氨酸（H3K4un）和H3K36me3修飾從而引導特異性的組蛋白H3 N-末端尾部的去乙酰化酶活，卻特異性保留了組蛋白H3第9位的乙酰化賴氨酸（H3K9ac）。依托分子結構模型、體外生化和體內功能數據，研究團隊提出了H3K9ac和H3K36me3修飾可以作為“種子”修飾引導后續乙酰化轉移酶的招募和快速H3/H4乙酰化修飾重新建立的機制。
在此項研究中，清華大學醫學院李海濤課題組博士后管海鵬和已畢業博士生王沛為并列第一作者。清華大學醫學院2020級博士生張沛主要參與了本研究，上海交通大學醫學院李兵教授、阮純博士，以及鄭州大學醫學科學院鄭向東特聘教授提供了專業指導和幫助。清華大學醫學院李海濤教授和生命學院閆創業副教授為共同通訊作者。
該工作得到國家自然科學基金委員會、國家重點研發計劃的資助。李海濤教授是清華-北大生命科學聯合中心、北京生物結構前沿研究中心、分子腫瘤學全國重點實驗室、教育部蛋白質科學重點實驗室，以及c7c7.app-清華大學醫學院前沿醫學協同創新中心成員。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06349-1
科研成果動畫展示：
https://static-content.springer.com/esm/art%3A10.1038%2Fs41586-023-06349-1/MediaObjects/41586_2023_6349_MOESM7_ESM.mp4
