李海濤組首次報導組蛋白苯甲醯化閱讀器並闡釋分子識別機制

2020-12-21 中國生物技術網

組蛋白修飾攜帶著關鍵表觀遺傳信息，該信息的解碼過程往往依賴於「閱讀器」（reader）蛋白對修飾的正確解讀。組蛋白苯甲醯化修飾（Kbz）是新近鑑定的一類賴氨酸醯基化修飾類型，其廣泛分布於組蛋白的柔性尾巴並調控基因轉錄【1】。

有趣的是，苯甲酸鈉（NaBz）作為Kbz的上遊供體是FDA批准的食品防腐劑，普遍存在於酒水飲料、蜜餞、泡菜、醬類、餅乾、奶油等各類包裝食品中；同時，NaBz也是治療急性高血氨的藥物，當病人進行高劑量NaBz靜脈注射時，其血漿內的苯甲酸鈉濃度可高達10 mM【2】；另外，不同於其他脂肪族鏈狀醯基化修飾，苯甲醯輔酶A（benzoyl-CoA）是細胞或者細菌，包括腸道菌群，代謝芳香環化合物所產生的中間產物，提示組蛋白苯甲醯化修飾響應不同的細胞代謝通路【3】。組蛋白苯甲醯化修飾是唯一含有芳香環的醯基化修飾類型，其獨特的苯環結構賦予了Kbz更大的體積和更強的疏水性質。那麼，哪些家族蛋白是Kbz修飾的閱讀器呢？飲食攝入或者細胞代謝產生的NaBz信號分子能否沉積於染色質進而發揮特定生物學功能呢？

2020年12月8日，清華大學醫學院李海濤教授課題組針對這些問題在Nucleic Acids Research雜誌在線發表最新研究成果：「Histone benzoylation serves as an epigenetic mark for DPF and YEATS family proteins」（組蛋白苯甲醯化是DPF和YEATS家族蛋白的表觀識別記號）。此項工作首先鑑定出DPF家族和YEATS家族，而非Bromo家族成員，是組蛋白苯甲醯化修飾閱讀器；隨後利用結構生物學手段闡釋了 DPF家族識別Kbz的「疏水封裝」(hydrophobic encapsulation)機制，以及YEATS家族識別Kbz的「頂端感觸」（tip-sensor） 機制。特別值得一提的是，調控核糖體基因表達的關鍵表觀因子YEATS2偏好識別苯甲醯化修飾（比乙醯化強6倍，巴豆醯化強2倍），提示YEATS2的閱讀器口袋呈現出朝向苯甲醯化修飾識別的設計與進化【4,5】；此外，本研究還發現組蛋白苯甲醯化修飾具有動態誘導屬性，細胞及小鼠的組蛋白修飾譜均可正向響應培養液或飲食中苯甲酸鹽的添加。

為了探尋組蛋白Kbz修飾這一「表觀密碼」的解碼因子，科研人員首先對人源三大組蛋白醯基化閱讀器家族進行了系統性篩選，確定了DPF和YEATS結構域是Kbz的閱讀器。同時，他們還對兩大家族蛋白結合Kbz的能力進行了家族成員間的橫向比較以及修飾間（乙醯化、巴豆醯化、Kbz）的縱向比較。實驗結果表明，DPF家族成員整體展現出Kcr>Kac~Kbz的識別特點；YEATS家族對Kbz的識別則存在顯著的成員特異性，比如，AF9對Kbz修飾存在最差的識別偏好性（Kcr>Kac>Kbz），而YEATS2則對Kbz展現出了最佳的偏好識別（Kbz>Kcr>Kac）。

接下來，為了闡釋DPF和YEATS家族成員差異識別Kbz的分子機制，研究人員通過晶體結構解析手段分別獲得了MOZDPF，AF9YEATS，YEATS2YEATS與其對應底物多肽（分別為H3K14bz，H3K9bz，H3K27bz）的複合物結構。高解析度結構分析表明，DPF家族採用抬高多肽主鏈和調整結合口袋的「疏水封裝」機制對Kbz進行識別；YEATS家族採用「頂端感觸」 機制實現對Kbz修飾選擇性識別，即閱讀器口袋中臨近醯基化修飾頂端的胺基酸差異決定了不同YEATS家族蛋白的修飾偏好性。基於結構分析的突變體實驗充分證明了上述識別原理。值得注意的是研究人員成功設計出一個功能獲得性突變體MOZ（L242I），其可以更偏好識別Kbz修飾（Kbz>Kcr>Kac），為將來的功能研究提供了新工具。

已有研究發現NaBz可減少小膠質細胞和星形膠質細胞的炎症反應，上調星形膠質細胞和神經元中神經保護蛋白DJ-1的表達，並可誘導結腸癌細胞的凋亡【6-8】。另有研究發現NaBz刺激可引發斑馬魚的發育缺陷以及類似焦慮等行為的異常，可導致小鼠產生劑量依賴的記憶力衰退現象；另外，一項針對大學生的研究發現，大量攝入富含NaBz的飲料後會出現注意力障礙性多動症的症狀（ADHD）【9-11】。雖然這些文章都對NaBz帶來的下遊效應進行了研究和描述，但是它們的分子機理還有待進一步明確。李海濤課題組利用細胞和小鼠飼餵模型發現組蛋白苯甲醯化修飾能夠被NaBz誘導上調。在接近0.1%的食品防腐劑使用濃度（10 mM）水平，培養液中或飲水中添加的NaBz可以顯著提升細胞或小鼠小腸上皮細胞中的組蛋白苯甲醯化修飾水平，尤其是H3和H2B核心組蛋白。這些結果為已有NaBz功能表型的背後機制研究提供了新線索。

綜上所述，李海濤課題組首次系統性鑑定了組蛋白苯甲醯化修飾的閱讀器，詳盡地闡釋了DPF和YEATS結構域差異識別Kbz的分子機制，為進一步解析組蛋白苯甲醯化修飾的生物學功能奠定了理論基礎。

DPF/YEATS家族識別誘導性組蛋白苯甲醯化修飾介導基因表達

此科研成果在清華大學醫學院完成。李海濤教授為通訊作者，任祥樂博士為第一作者，醫學院博士研究生周洋同學、郝寧同學，以及美國Van Andel Institute薛兆玉博士對本研究做出了重要貢獻。本工作還得到了Van Andel Institute的石曉冰教授、醫學院郭曉歡助理教授、李元元副研究員、王大亮副教授的指導與支持。

原文連結：

https://doi.org/10.1093/nar/gkaa1130

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來源：BioArt

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