Nature | bHLH转录因子与组蛋白互作的结构基础

撰文 | Sure

bHLH（basic helix–loop–helix） 转录因子家族由108个成员组成，通过形成同源和异源二聚体结合DNA双链的大沟 （major groove）【1】。2019年诺贝尔生理学或医学奖被授予William G. Kaelin教授、Peter J. Ratcliffe 教授、以及 Gregg L. Semenza 教授，以表彰他们发现生物氧气感知通路，其中最主要的工作就是鉴定了bHLH家族的HIF1（Hypoxia-inducible factor 1） 作为低氧激活的能促进各种应对低氧条件的基因表达。此外，bHLH转录因子在细胞生长、增殖和代谢，神经发生，肌生成以及昼夜节律等生物事件中都起着决定性作用【2-6】。

bHLH转录因子识别一个被称为E-box （CANNTG） 的核心DNA基序，而这段短的DNA基序在人类基因组上存在多达1500万个位点【7】。bHLH的DNA结合结构域 （DNA-binding domain, DBD） 与不同类型的二聚化结构域相连，常见的为亮氨酸拉链 （leucine zipper, LZ） 结构域 （例如：MYC，MAX和MAD） ，PAS结构域 （例如：CLOCK，BMAL1和HIF1α） 以及orange domain （例如：HES1-HES7） 等。bHLH转录因子家族成员的功能非常重要，然而bHLH转录因子是如何识别并结合缠绕在核小体内的E-boxes基序，以及家族成员之间相互合作的机制仍不明确。

近日，来自瑞士FMI生物医学研究所的Nicolas H. Thomä研究组在Nature上发表了文章Cooperation between bHLH transcription factors and histones for DNA access，该文章研究了两种结构不同的bHLH转录因子是如何识别染色质化的E-boxes基序：原癌基因MYC-MAX（LZ结构域）和昼夜节律转录因子CLOCK-BMAL1（PAS结构域）。

MYC原癌基因是最常见的活化原癌基因之一，其参与调控的癌症占所有癌症的20%左右。作为一种转录因子，MYC通常与MAX形成异源二聚体发挥转录激活作用。而CLOCK-BMAL1形成的异源二聚体是一种重要的生物钟分子，它们为基因组上近40%的基因提供了约24小时的节律表达周期，这些基因涵盖了代谢、激素分泌和细胞周期中的重要基因【8,9】。因此，研究人员选择这两组在结构和进化上存在明显区别的bHLH转录因子探究它们与核小体互作的结构基础。

首先，研究人员利用SeEN-seq研究bHLH转录因子是如何接近嵌入核小体的E-boxes基序。MYC-MAX和CLOCK-BMAL1的SeEN-seq图谱揭示了其末端结合能力，优先结合位于超螺旋位置 （superhelical locations, SHLs） +/-7至SHLs+/-5的E-boxes位点，MYC-MAX和CLOCK-BMAL1结合峰通常与面向溶剂的E-boxes位置吻合，推测是由于在这些位置上发生的物理冲突较少。这些结果表明组蛋白的存在限制了bHLH转录因子对E-boxes基序的结合。

随后，该课题组利用冷冻电镜解析CLOCK-BMAL1和MYC-MAX与核小体结合的分子基础。（1）在CLOCK-BMAL1结构中核小体DNA被扭曲为CLOCK-BMAL1的结合提供空间。从SHL+7.5到SHL+5.5约17bp的范围内，CLOCK-BMAL1将DNA与组蛋白H3和H2A分离，从而结合面向溶剂的E-boxes基序。而在面向组蛋白的E-boxes位点 （SHL-6.2） ，CLOCK-BMAL1将整个bHLH结构域折叠嵌入DNA双链和组蛋白H2A和H3之间，PAS结构域结合H2A-H2B的酸性补丁 (acidic patch) 。（2）MYC-MAX结合核小体的结构与CLOCK-BMAL1中观察到的类似，不同之处在于MYC-MAX的LZ结构域不与组蛋白相互作用，直接从bHLH结构域向溶剂面延伸。

为了进一步揭示生理状态下bHLH转录因子在染色质中识别E-boxes位点的机制，研究人员从果蝇胚胎提取物中重组了染色质，该染色质含有约33500个E-boxes基序，通过ChIP-seq分析转录因子的结合图谱。结果表明bHLH转录因子结合在核小体的近端，（1）其中CLOCK-BMAL1结合到核小体进出位点或附近的E-boxes基序，这些基序紧邻组蛋白八聚体，并且在体内的单分子足迹分析也证实了此发现。利用小鼠模型作者发现CLOCK-BMAL1与组蛋白的相互作用在决定昼夜节律周期中起着重要作用。（2）MYC-MAX则通过介导DNA从核小体上解链，结合到核小体内部的E-boxes位点。此外，MYC-MAX可以与先锋转录因子OCT4合作，促进自身与核小体内部E-boxes位点的结合。

综上所述，这篇文章揭示了bHLH转录因子家族中具有代表性的CLOCK-BMAL1和MYC-MAX两种异源二聚体识别核小体内E-boxes的结构基础。它们都优先于核小体进出位点附近的E-boxes基序结合，并可以促进DNA从组蛋白中释放，以获得结合核小体内E-boxes基序的机会，这一机制对于bHLH转录因子发挥功能至关重要。

参考文献

1. de Martin, X., Sodaei, R. & Santpere, G. Mechanisms of binding specificity among bHLH transcription factors.Int. J. Mol. Sci.22, 9150 (2021).

2. Carroll, P. A., Freie, B. W., Mathsyaraja, H. & Eisenman, R. N. The MYC transcription factor network: balancing metabolism, proliferation and oncogenesis.Front. Med.12, 412–425 (2018).

3. Lee, J. E. et al. Conversion of Xenopus ectoderm into neurons by NeuroD, a basic helix–loop–helix protein.Science268, 836–844 (1995).

4. Weintraub, H. et al. Muscle-specific transcriptional activation by MyoD.Genes Dev.5, 1377–1386 (1991).

5. Semenza, G. L., Nejfelt, M. K., Chi, S. M. & Antonarakis, S. E. Hypoxia-inducible nuclear factors bind to an enhancer element located 3′ to the human erythropoietin gene.Proc.Natl Acad. Sci. USA88, 5680–5684 (1991).

6. Gekakis, N. et al. Role of the CLOCK protein in the mammalian circadian mechanism.Science280, 1564–1569 (1998).

7. Liu, Z., Venkatesh, S. S. & Maley, C. C. Sequence space coverage, entropy of genomes and the potential to detect non-human DNA in human samples.BMC Genomics9, 509 (2008).

8. Gustafson, C. L. & Partch, C. L. Emerging models for the molecular basis of mammalian circadian timing.Biochemistry54, 134–149 (2015).

9. Zhang, R., Lahens, N. F., Ballance, H. I., Hughes, M. E. & Hogenesch, J. B. A circadian gene expression atlas in mammals: implications for biology and medicine.Proc. Natl Acad. Sci. USA111, 16219–16224 (2014).

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06282-3