2014年12月1日，北京生命科学研究所叶克穷实验室在《Genes & Development》发表题为“Structural basis of X chromosome DNA recognition by the MSL2 CXC domain during Drosophila dosage compensation”的研究论文，阐释在果蝇的剂量补偿过程中蛋白质MSL2识别X染色体DNA的结构机制。

在多数动物中，雄性（XY）与雌性（XX）所含的X性染色体的数量不同，这样X染色体上的基因在不同性别中将出现不一致的表达水平，从而造成严重的后果，因此生物需要通过剂量补偿使得X染色体基因的表达水平在不同性别中达到平衡。剂量补偿的实现机制在不同生物有很大的差别，比如哺乳动物会让雌性两条X染色体中的一条失去转录活性，而果蝇会让雄性的单条X染色体的转录水平提高一倍。

在果蝇中，剂量补偿是通过MSL（Male-specific lethal）复合物实现的，它只在雄性中存在，特异地定位在X染色体上，并通过乙酰化组蛋白H4 K14激活转录水平。MSL复合物如何特异的识别X染色体是理解剂量补偿机制的一个重要问题。目前普遍认为，MSL复合物首先结合在X染色体上大约150个高亲和位点，然后扩散至周围转录活跃的基因。以往还发现一种称为MRE（MSL recognition element）的DNA序列对初期招募MSL复合物非常重要，但它如何被识别仍不清楚。

MSL复合物中的MSL2蛋白对于最初结合高亲和位点是必须的。MSL2含有一个富含半胱氨酸、结合DNA的CXC结构域。叶克穷实验室之前用核磁共振方法解析了CXC结构域的结构，发现它包含一个特殊的Zn3Cys9金属簇，和组蛋白甲基化酶的pre-SET结构域的结构非常相似（PLoS ONE, 2012）。

在最新的研究中，叶克穷实验室发现MSL2 CXC结构域能特异的识别MRE序列，并利用Ｘ光晶体学解析了CXC结构域结合特异和非特异DNA的复合物结构。在结构中，CXC结构域约覆盖６个碱基对的DNA区域，但主要和其中一条DNA链结合。在结合特异MRE序列时，CXC结构域543位的精氨酸伸到DNA的小沟，识别相邻的两个碱基，这构成了结构中唯一的直接识别DNA序列的相互作用。这种通过DNA的小沟识别序列的方式很特殊，其它DNA结合结构域一般通过大沟识别DNA的序列。

另外，MRE序列的中心区域能协同的结合两个CXC结构域，这可能是高亲和MRE序列的重要特征。当结合非特异序列时，CXC结构域结合DNA的方式发生了显著的变化：543位精氨酸的侧链变成活动的，不再识别DNA序列，另外协同结合也消失了。CXC结构域有可能利用这种非协同、非特异的结合方式寻找MRE位点。体内突变实验结果还显示，MSL2失去DNA结合能力后，就无法结合到MRE区域和Ｘ染色体。

总之，这个研究揭示了CXC结构域结合DNA的多种模式，它们可能在MSL复合物定位在Ｘ染色体的不同阶段发挥作用。

北京生命科学研究所博士生郑三多为本文的第一作者。Raffaella Villa在Peter Becker博士的德国慕尼黑大学实验室完成了体内的突变实验。论文其他作者还包括北京生命科学研究所学生王佳、青岛生物能源和过程研究所的冯银刚博士和生物物理所的王金凤博士。叶克穷博士为本文通讯作者。

原文摘要：

Structural basis of X chromosome DNA recognition by the MSL2 CXC domain during Drosophila dosage compensation

The male-specific lethal dosage compensation complex (MSL-DCC) selectively assembles on the X chromosome in Drosophila males and activates gene transcription by twofold through histone acetylation. An MSL recognition element (MRE) sequence motif nucleates the initial MSL association, but how it is recognized remains unknown. Here, we identified the CXC domain of MSL2 specifically recognizing the MRE motif and determined its crystal structure bound to specific and nonspecific DNAs. The CXC domain primarily contacts one strand of DNA duplex and employs a single arginine to directly read out dinucleotide sequences from the minor groove. The arginine is flexible when bound to nonspecific sequences. The core region of the MRE motif harbors two binding sites on opposite strands that can cooperatively recruit a CXC dimer. Specific DNA-binding mutants of MSL2 are impaired in MRE binding and X chromosome localization in vivo. Our results reveal multiple dynamic DNA-binding modes of the CXC domain that target the MSL-DCC to X chromosomes.

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