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

2021-01-13 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

參考文獻：

1. Huang,H., Zhang,D., Wang,Y., Perez-Neut,M., Han,Z., Zheng,Y.G., Hao,Q. and Zhao,Y. (2018) Lysine benzoylation is a histone mark regulated by SIRT2.Nat. Commun., 9, 3374.

2. Praphanphoj, V., Boyadjiev, S.A., Waber, L.J., Brusilow, S.W. and Geraghty, M.T. (2000) Three cases of intravenous sodium benzoate and sodium phenylacetate toxicity occurring in the treatment of acute hyperammonaemia.J Inherit Metab Dis, 23, 129-136.

3. Porter, A.W. and Young, L.Y. (2014) Benzoyl-CoA, a universal biomarker for anaerobic degradation of aromatic compounds.Adv Appl Microbiol, 88, 167-203.

4. Mi, W., Guan, H., Lyu, J., Zhao, D., Xi, Y., Jiang, S., Andrews, F.H., Wang, X., Gagea, M., Wen, H. et al. (2017) YEATS2 links histone acetylation to tumorigenesis of non-small cell lung cancer.Nat Commun, 8, 1088.

5. Zhao, D., Li, Y., Xiong, X., Chen, Z. and Li, H. (2017) YEATS Domain-A Histone Acylation Reader in Health and Disease.J Mol Biol, 429, 1994-2002.

6. Brahmachari,S., Jana,A. and Pahan,K. (2009) Sodium benzoate, a metabolite of cinnamon and a food additive, reduces microglial and astroglial inflammatory responses.J. Immunol., 183, 5917–5927.

7. Khasnavis,S. and Pahan,K. (2012) Sodium benzoate, a metabolite of cinnamon and a food additive, upregulates neuroprotective Parkinson disease protein DJ-1 in astrocytes and neurons.J. Neuroimmun. Pharmacol., 7, 424–435.

8. Yilmaz,B. and Karabay,A.Z. (2018) Food Additive Sodium Benzoate (NaB) activates NFkappaB and induces apoptosis in HCT116 Cells.Molecules, 23, 723.

9. Khoshnoud,M.J., Siavashpour,A., Bakhshizadeh,M. and Rashedinia,M. (2018) Effects of sodium benzoate, a commonly used food preservative, on learning, memory, and oxidative stress in brain of mice.J. Biochem. Mol. Toxic., 32, e22022.

10. Gaur,H., Purushothaman,S., Pullaguri,N., Bhargava,Y. and Bhargava,A. (2018) Sodium benzoate induced developmental defects, oxidative stress and anxiety-like behaviour in zebrafish larva. Biochem. Biophys.Res. Commun., 502, 364–369.

11. Beezhold,B.L., Johnston,C.S. and Nochta,K.A. (2014) Sodium benzoate-rich beverage consumption is associated with increased reporting of ADHD symptoms in college students a pilot investigation.J. Atten. Disord., 18, 236–241.

來源：BioArt

相關焦點

  • 清華李海濤組在《Nat Chem Biol》報導巴豆醯化最新閱讀器
    2014年該課題組與美國德克薩斯大學安德森癌症中心石曉冰實驗室合作，在《Nature》上報到了ZMYND11是組蛋白變異體H3.3特異性的H3K36me3的閱讀器（註：稍晚些時候覆旦大學施揚和藍斐教授課題組在《Mol Cell》也報導了類似研究結果），也是在這一年李海濤與石曉冰合作又在《Cell》發文報導了新的一類組蛋白乙醯化閱讀器YEATS結構域關聯蛋白；2016年李海濤教授課題組發表多篇有關組蛋白巴豆醯化的識別文章
  • 清華醫學院李海濤課題組發文報導組蛋白巴豆醯化新閱讀器
    清華醫學院李海濤課題組發文報導組蛋白巴豆醯化新閱讀器清華新聞網10月31日電 近日，醫學院李海濤課題組在自然子刊《自然化學生物學》（Nat Chem Biol）在線發表題為 「MOZ和DPF2的雙PHD鋅指結構域選擇性識別組蛋白巴豆醯化」（Selective Recognition of Histone Crotonylation
  • 醫學院李海濤課題組連續發文首次揭示組蛋白巴豆醯化特異識別機制
    醫學院李海濤課題組連續發文首次揭示組蛋白巴豆醯化特異識別機制 清華新聞網4月23日電 近日，清華大學醫學院李海濤研究團隊在國際知名學術期刊《分子細胞》和《細胞研究》分別發表題為「AF9 YEATS結構域在分子層面偶聯組蛋白巴豆醯化修飾和活躍轉錄」（Molecular Coupling of
  • 解析組蛋白氨基末端甲基化分子機制
    「NRMT1催化組蛋白氨基末端甲基化的分子機制」的論文，首次報導了人源氨基末端甲基轉移酶NRMT1與人著絲粒組蛋白CENP-A的複合物晶體結構，並通過一系列生化實驗，闡明了NRMT1識別組蛋白底物並進行氨基末端甲基化的分子機制。
  • 科學網—科學家破譯「組蛋白密碼」識別新機制
    ，從結構生物學角度解析組蛋白甲基化修飾識別新機制，進一步揭開了錯綜複雜的表觀遺傳調控的神秘面紗。目前，研究發現很多疾病與組蛋白修飾異常有著非常重要的關聯，因此研究組蛋白修飾的產生、消除以及讀取機制，對深入了解基因功能調控機制以及疾病的發生和治療等有著重要意義。
  • 科學網—我科學家解析組蛋白氨基末端甲基化分子機制
    清華大學醫學院李海濤研究組在《基因與發育》雜誌發表了題為《NRMT1催化組蛋白氨基末端甲基化的分子機制》的論文，首次報導了人源氨基末端甲基轉移酶NRMT1與人著絲粒組蛋白CENP-A的複合物晶體結構，並通過一系列生化實驗，闡明了NRMT1識別組蛋白底物並進行氨基末端甲基化的分子機制。
  • 醫學院李海濤課題組《基因與發育》發文解析組蛋白氨基末端甲基化...
    醫學院李海濤課題組《基因與發育》發文解析組蛋白氨基末端甲基化分子機制　　清華新聞網11月24日電  11月15日，清華大學醫學院李海濤研究組在《基因與發育》（Genes & Development）雜誌發表了題為「NRMT1催化組蛋白氨基末端甲基化的分子機制」（
  • 辯論之外的故事:新型組蛋白修飾與表觀遺傳調控(一)
    "表觀遺傳調控的分子本質是修飾依賴的識別和催化"，李海濤教授說。實際上，近年來隨著高分辨質譜分析技術和生化實驗手段的綜合運用，除了傳統上的組蛋白乙醯化和甲基化，陸續發現近十幾種新型組蛋白修飾類型，大大拓展了對組蛋白表觀遺傳的認識。，這些組蛋白上的各種修飾在多個位點上相互交織影響，形成了複雜的組蛋白修飾調控網絡，發揮了遠遠超過辯論所涉及內容的表觀遺傳調控新機制。（圖1）。
  • 研究發現新型組蛋白乙醯化閱讀器
    研究發現新型組蛋白乙醯化閱讀器為靶向小分子藥物開發奠定基礎來源：中國科學報 2014-12-15 黃辛　　清華大學醫學院李海濤研究團隊在最新研究中，發現了一種新型組蛋白乙醯化閱讀器——YEATS結構域，揭開了組蛋白乙醯化轉錄調控研究新篇章。相關研究成果已發表於《細胞》。
  • 科學網—研究發現新型組蛋白乙醯化閱讀器
    研究發現新型組蛋白乙醯化閱讀器為靶向小分子藥物開發奠定基礎   本報訊（記者黃辛）清華大學醫學院李海濤研究團隊在最新研究中
  • 清華大學醫學院李海濤課題組《細胞》發文破譯組蛋白乙醯化密碼
    染色質凝聚、鬆弛結構的形成，以及開放、閉合等狀態的轉換提供了一種超越DNA 序列本身的調控機制，即表觀遺傳調控。表觀遺傳調控具體機制涉及組蛋白修飾、組蛋白變體、DNA 甲基化、非編碼RNA，及染色質重塑等。其中組蛋白翻譯後修飾，被認為構成一類超越基因序列的「組蛋白密碼」，控制著遺傳信息的組織層次及其在染色質層面的解讀。組蛋白賴氨酸乙醯化是研究最早的一類組蛋白修飾。
  • 2018年Lasker基礎醫學獎:組蛋白結構及其修飾對基因表達的調控
    景傑生物/報導2018年9月11日，本年度Albert Lasker基礎醫學研究獎授予兩位闡釋組蛋白結構及其修飾對基因表達的調控的兩位科學家：Michael Grunstein（UCLA）和Charles David Allis
  • 醫學院李海濤課題組揭示致癌組蛋白突變抑制SETD2甲基轉移酶活力的...
    醫學院李海濤課題組揭示致癌組蛋白突變抑制SETD2甲基轉移酶活力的分子基礎清華新聞網8月3日電 7月31日，《基因與發育》(Genes & Development) 雜誌發表了醫學院李海濤教授課題組題為「甲基轉移酶SETD2識別致癌組蛋白的分子基礎」（《Molecular basis for oncohistone
  • 清華課題組《細胞》發文:破譯組蛋白乙醯化密碼
    染色質凝聚、鬆弛結構的形成，以及開放、閉合等狀態的轉換提供了一種超越DNA 序列本身的調控機制，即表觀遺傳調控。表觀遺傳調控具體機制涉及組蛋白修飾、組蛋白變體、DNA 甲基化、非編碼RNA，及染色質重塑等。其中組蛋白翻譯後修飾，被認為構成一類超越基因序列的「組蛋白密碼」，控制著遺傳信息的組織層次及其在染色質層面的解讀。組蛋白賴氨酸乙醯化是研究最早的一類組蛋白修飾。
  • 【學術前沿】 Josefowicz/李海濤合作發現組蛋白H3.3磷酸化可增強...
    組蛋白變體H3.3 與「經典」的組蛋白H3.1或H3.2的一個重要區別在於其氨基端第31位殘基為絲氨酸(Ser或S)， 而H3.1/2為丙氨酸(Ala或A)。這一胺基酸組成差異對於組蛋白H3.3的功能發揮有何意義是一個領域關注熱點。
  • 【盤點】2019年一季度組蛋白修飾重大學術研究
    組蛋白修飾是表觀遺傳學研究的核心熱點，隨著蛋白質組學技術以及抗體技術不斷發展，越來越多的新型組蛋白修飾以及新穎的調控機制被揭示出來，並見諸高水平期刊。今天介紹的第一篇文章為19年3月發表在Nature雜誌的，首次報導了神經遞質5-羥色胺能夠進入細胞核使組蛋白發生化學修飾（serotonylation），進而調控基因表達。
  • 【開門大吉之 Nature Chem Biol】賴氨酸巴豆醯化 新型閱讀器...
    of MOZ and DPF2）的研究論文，發現雙PHD鋅指（DPF）結構域具有特異識別組蛋白巴豆醯化修飾的分子功能。本工作是李海濤研究團隊繼今年年初首次把YEATS結構域鑑定為組蛋白巴豆醯化閱讀器後（Li et al，Mol Cell 2016；Zhao et al，Cell Res 2016），在組蛋白修飾調控領域取得的又一重要突破，深化了人們對巴豆醯化修飾生物學的理解和認識。景傑生物全球獨家開發的系列賴氨酸巴豆醯化抗體為本研究的順利實施提供了重要保障。
  • 李海濤研究組近期在《自然化學生物學》和《美國科學院院刊》發表...
    發表在《自然化學生物學》上的題為《應用蛋白微陣列技術研發Spindlin1小分子抑制劑》（Developing spindlin1 small-molecule inhibitors by using protein microarrays）的論文，通過構建組蛋白閱讀器結構域蛋白晶片，並結合基於結構的構效關係演化
  • 研究揭示SHL蛋白對抑制和活性組蛋白修飾的識別機制
    SHL通過自身BAH結構域和PHD結構域分別識別抑制性組蛋白修飾H3K27me3和活性組蛋白修飾H3K4me3的分子機制。在之前報導中表明SHL可以通過抑制開花過程中整合因子SUPPRESSION OF OVEREXPRESSION OF CO1 (SOC1) 的表達進而抑制開花。儘管SHL蛋白起到了抑制開花的作用，其具體的分子機制還不是很清楚。
  • 組蛋白威力過大 控制生命進程「球局」
    顯然，將組蛋白刻畫成呆板的「線軸」完全忽略了它「活動」的能力。事實上，它們能退、能進、能守，兩位獲獎科學家從不同角度證明了組蛋白對DNA的表達有著掌控實力，揭開了一個先前隱藏的基因調控機制。以乙醯化為代表的記號能通過特定結構域的識別，將調控因子靶向招募到特定基因組區域。」曾與阿里斯有過深度學術交流的清華大學教授李海濤解釋，首先要有組蛋白的變化，而它們通過甲基化、乙醯化等化學修飾承載和傳遞信息，「組蛋白乙醯化就是最早一類被研究的『密碼』，這種密碼傳遞出的指令調控著基因表達。」在細胞中，組蛋白的工作場所在哪裡呢？「組蛋白的翻譯後修飾在細胞質與細胞核中都有發生。