Neue Veröffentlichung in "Communications Biology"

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Die Protein Lysin Methyltransferase PRDM9 ist essenziell zur Kontrolle der meiotischen Rekombination, wo sie H3K4 und H3K36 im Chromatin trimethyliert. Es ist jedoch nicht bekannt, wie dieses Enzym diese beiden Substrate trotz ihrer unterschiedlichen Aminosäuresequenzen spezifisch methylieren kann. Durch eine Kombination biochemischer Assays mit Molekulardynmik Simulationen zeigen wir hier, dass diese außergewöhnliche duale Substratspezifität auf einem zweiteiligen Peptiderkennungssteööe beruht. Diese besteht aus einer peripheren Bindungsstelle, die spezifisch für das H3K4-Peptid ist, aber H3K36 toleriert, und einer zentralen Bindungsstelle mit entgegengesetzten Präferenzen Der N-terminale Teil des H3K4-Peptids und R2 sind durch ein Netzwerk von PRDM9-Resten in einer gebogenen Konformation verbunden, die die Fortsetzung der Peptidkette sterisch ausschließt. Das H3K36-Peptid enthält in diesem Teil G33 und G34, wodurch die Peptidkette dem Bindungspfad der R2-Seitenkette im H3K4-Komplex folgen kann. Dadurch kann ein kontinuierliches Peptid im H3K36-Bindungsmodus gebunden werden. Im zentralen Teil der Substratbindungstasche hingegen werden hydrophobe Aminosäurereste wie die in H3K36 stark bevorzugt, was eine genaue Erkennung und effiziente Methylierung der H3K36-Sequenz ermöglicht. Dennoch werden die in H3K4 gefundenen Aminosäurereste in dieser Region toleriert, was in Kombination mit der starken Erkennung des N-terminalen Teils von H3K4 im peripheren Bereich der Bindungsstelle eine spezifische Methylierung des H3K4-Substrats ermöglicht. Auf der Grundlage unserer Daten konnten wir durch zielgerichtete Mutagenese von an PRDM9-Peptid-Kontakten beteiligten Aminosäureresten die K4/K36-Präferenzen stark modulieren. In unseren Protein-Engineering-Experimenten wurden PRDM9-Mutanten mit erhöhter Präferenz für H3K4 (H3K4 >> H3K36), mit verlorener Präferenz (H3K4 ≈ H3K36) und sogar mit invertierter Präferenz (H3K36 > H3K4) identifiziert. Ein weiterer Mutant zeigte eine sehr geringe Aktivität (I339Q-Mutante), aber in diesem Fall kann eine Fehlfaltung des gereinigten Proteins nicht ausgeschlossen werden. Diese Erkenntnisse belegen, dass die bemerkenswerte Substraterkennung durch PRDM9 mit dualer Spezifität auf die Präferenz für das eine oder andere Peptid abgestimmt werden kann.