李小玲組發現組蛋白巴豆醯化促進人類胚胎幹細胞向中內胚層分化

2021-01-15 BioArt生物藝術

責編 | 兮

細胞代謝不僅僅提供細胞生長所需的能量和物質，還產生許多代謝中間產物來修飾組蛋白，從而影響細胞的表觀遺傳和基因表達【1,2】。因此，細胞的代謝狀態和細胞的功能及命運息息相關。研究特定生物過程中代謝的變化及其作用機理因而能為我們提供幹預這一過程的分子機理。

在胚胎發育過程中，胚胎幹細胞先分化為內、中、外三個胚層，然後這三個胚層再發育為全身各個器官和組織。代謝上，胚胎幹細胞和外胚層依賴於糖酵解，而中內胚層則轉而依賴於氧化磷酸化【3】。糖酵解產生的乙醯輔酶A已知能提高H3K27ac 和H3K9ac 水平，從而促進維持幹細胞多能性（pluripotency）的基因表達【4】。然而氧化磷酸化對中內胚層的分化有沒有直接的影響目前並不清楚。

組蛋白巴豆醯化（crotonylation,Kcr）是近年來由質譜發現的一種新的組蛋白修飾。和組蛋白乙醯化（Kac）一樣，Kcr也促進基因表達，然而它在體內到底有什麼生理功能一直未知 【5-8】。巴豆醯輔酶A是組蛋白巴豆醯化的底物。它可以由短鏈脂肪酸中的巴豆酸加輔酶A 而來，也可以由賴氨酸，色氨酸的分解產物和丁酸（一種4碳的脂肪酸）氧化降解產生（圖1）。

圖1 巴豆醯輔酶A的代謝生成途徑

2021年1月14日，美國國立衛生研究院（NIH）環境健康科學研究所（NIEHS）李小玲（Xiaoling Li）研究組，聯合該所生物信息學組的徐肖江（Xiaojiang Xu）和李建良（Jian-Liang Li）博士， 以及芝加哥大學的趙英明（Yingming Zhao）和Temple University的Nathaniel Snyder教授等，在Cell Stem Cell雜誌上在線發表題為Histone crotonylation promotes mesoendodermal commitment of human embryonic stem cells的研究論文。該文通過一系列高通量測序分析，定量蛋白質組學分析，單細胞測序分析，以及分子、細胞和小鼠實驗，揭示了短鏈脂肪酸代謝所產生的中間產物巴豆醯輔酶A能夠修飾組蛋白，進而促進胚胎幹細胞向中內胚層分化。該研究為代謝調節細胞分化提供了新的分子機制。

在誘導人類胚胎幹細胞分化成三個胚層的過程中，研究人員發現了三個產生巴豆醯輔酶A的酶在分化的中內胚層細胞中表達增加。這三個酶中，ACSS2催化給巴豆酸加上輔酶A，而ACADS和ACOX3則分別是在線粒體和過氧化物酶體中催化脂肪酸氧化降解的酶。以誘導幹細胞分化為內胚層細胞為例，研究人員進一步通過ChIP-seq分析發現組蛋白Kcr在內胚層基因的啟動子和/或增強子上顯著富集，且其富集程度和基因表達正相關。而分別敲除這三個酶降低了組蛋白Kcr的水平，且抑制內胚層細胞的分化但同時促進了外胚層的分化。更重要的是，給細胞孵育巴豆酸不僅能促進野生型幹細胞分化成內胚層細胞，而且能夠完全補救因ACADS/ACOX3敲除而引起的Kcr水平的降低及向內胚層分化的缺陷，證明脂肪酸代謝產生的巴豆醯輔酶A是內胚層細胞分化必須的。在進一步採用在細胞培養中通過胺基酸進行穩定同位素標記(SILAC)的定量蛋白質組學分析中，研究人員發現了兩個只在分化的內胚層細胞才有的組蛋白巴豆醯化的位點，而把這兩個位點分別突變則抑制了內胚層細胞的分化，有力地證明了組蛋白巴豆醯化是內胚層分化所必須的。

圖2 組蛋白的巴豆醯化促進胚胎幹細胞的中內胚層分化

此項由NIH領導的研究首次揭示了脂肪酸代謝可以通過產生的代謝中間產物來修飾組蛋白，從而調節基因表達及決定細胞命運，同時也首次揭示了組蛋白巴豆醯化在體內的生理意義（圖2）。該研究同時發現了巴豆酸可以作為營養添加劑來促進體外中內胚層細胞的分化，從而優化了中內胚層細胞體外分化的條件。這將有力地推動有關中內胚層細胞分化的研究及其在幹細胞療法中的應用。

該項研究是由美國國立衛生研究院環境健康科學研究所，芝加哥大學， Temple University等機構合作完成。美國國立衛生研究院環境健康科學研究所的代謝基因環境研究組的李小玲資深研究員為高級作者和主通訊作者，該組的research fellow方禕（Yi Fang）是第一作者和共同通訊作者。

原文連結

https://doi.org/10.1016/j.stem.2020.12.009

參考文獻

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