高分專題
高分專題是歐易/鹿明生物推出的最新組學領域行業熱點文章。了解大咖文章、跟進最新行業動態 、探索研究思路、加強蛋白組學和代謝組學高分亮點分析，這裡都有。更多資訊，請關注鹿明生物公眾號哦~
複雜生物體為響應各種環境變化，可快速誘導特定基因表達，保證了炎症反應、熱休克應激等諸多細胞過程的發生。然而目前還不清楚這些刺激誘導的基因（stimulation-induced genes）是如何有效結合通用轉錄機制進行快速表達的。其中刺激誘導的轉錄可能被專用染色質調節機制與激活信號的轉錄因子合作控制。在染色質的刺激響應特徵中，組蛋白磷酸化是通過激酶級聯信號傳遞至刺激響應基因的有效信號傳遞手段，並有增強其轉錄的可能。
組蛋白是真核生物體細胞染色質的主要蛋白質組分，和DNA共同組成核小體結構，並在基因調控中發揮作用。組蛋白H3.3是常規組蛋白H3的一種變體，是單細胞真核生物（如酵母）中組蛋白H3的唯一形式。高等生物細胞有絲分裂S期時可以得到大量的常規組蛋白H3.1和H3.2，從而保證DNA複製時有足夠多的新合成的組蛋白整合進入其中，這是一種依賴DNA複製的方式。而編碼組蛋白H3.3的基因在整個細胞周期都持續表達，並能使組蛋白變體H3.3能以一種不依賴DNA複製的方式整合進入染色質，且組蛋白變體H3.3在轉錄、基因組穩定性和有絲分裂等過程中發揮著重要作用。組蛋白H3.3與H3.1和H3.2在序列上僅有5個和4個胺基酸殘基差異，其中有差別的第31位的胺基酸位於蛋白的N端尾部，在H3.3中是絲氨酸，而在H3.1和H3.2中為丙氨酸。目前關於H3.3S31和H3.3特異性磷酸化的潛在調節功能和生物物理機制的了解卻很少。
2020年7月，清華大學李海濤團隊攜手美國威爾康奈爾醫學院Steven Josefowicz實驗室、洛克菲勒大學C David Allis實驗室等在Nature發表題為「Histone H3.3 phosphorylation amplifies stimulation-induced transcription」（組蛋白H3.3磷酸化增強刺激誘導型轉錄）的研究論文。研究團隊利用內毒素誘導的巨噬細胞炎性反應模型，從生物化學、功能基因組學和結構生物學角度系統揭示了組蛋白變體H3.3第31位絲氨酸磷酸化（H3.3S31ph）增強刺激誘導的基因轉錄的機制。
為了鑑定細胞刺激過程中潛在的染色質調節機制，研究者純化了用細菌脂多糖（lipopolysaccharide, LPS）處理前後小鼠骨髓來源的巨噬細胞（bone marrow-derived macrophages, BMDMs）的組蛋白，並利用磷酸化蛋白質組技術定量組蛋白磷酸化修飾的變化。結果顯示，靜息狀態巨噬細胞H3.3S31ph檢測不到，但刺激後H3.3S31ph顯著上升，然而H3.3總蛋白水平在刺激後卻不變。該結果經Western blot確認（圖1b），且其磷酸化與以下4種細胞刺激響應相關：LPS刺激的骨髓來源樹突狀細胞；IL-12和IL-18刺激的自然殺傷細胞；抗CD40、抗IgM和IL-21刺激的naive B細胞；腦源性神經營養因子（BDNF）刺激的皮層神經元（圖1c）。通過ChIP–seq進一步分析顯示H3.3S31ph主要位於受LPS誘導激活的基因的基因體（gene body）區（圖1d）。
圖1 | Thehistone H3 variant H3.3 is phosphorylated at stimulation-induced genes during the macrophage response to pathogen sensing.
為了鑑定BMDM中的激酶並確定其相對於轉錄周期的活性，作者進行了一系列藥理和敲低實驗。結果發現很多刺激轉錄的基因都是NF-kB信號通路的靶基因，且受已知的H3.3S31激酶CHK1的幹擾較小，作者猜測產生H3.3S31ph修飾的激酶可能是IKKα。進一步研究發現，IKKα以刺激依賴性方式定位到H3.3S31ph靶基因（圖2c）；加入IKKa抑制劑或對其進行shRNA幹擾會導致炎症基因H3.3S31ph丟失（圖2d），且IKKα依賴性的H3.3S31ph發生在一系列刺激誘導的基因中（圖2e）。
圖2 | H3.3S31is co-transcriptionally phosphorylated by IKKα, deposited in the gene body ofresponse genes and corresponds with H3K36me3.
對於H3.3S31ph調控轉錄的可能機制，作者關注了與H3.3S31ph共轉錄的H3K36me3，並在刺激誘導的基因中發現了H3.3S31ph和H3K36me3相似的基因體定位（圖2a,c,f）。只有SETD2甲基轉移酶能夠完成H3K36位點的三甲基化，而其他H3K36甲基轉移酶只能將H3K36單甲基化和二甲基化。隨後的細胞實驗、表觀基因組和結構功能研究表明（圖3），H3.3S31ph增強的SETD2活性是刺激誘導的轉錄增強的特徵。因此，刺激誘導的基因可以被賦予優先訪問SETD2以進行快速、高水平的表達。
圖3 | The H3K36me3 methyltransferase SETD2 is stimulated by H3.3S31ph.
腫瘤抑制因子ZMYND11在組蛋白H3.3中通過與未修飾的S31相互作用而定位，並定位於基因體，能夠特異性地識別H3.3K36me3修飾，抑制轉錄延伸的過度活化。作者結合先前的結構和生化研究、ITC滴定和ZMYND11的ChIP–seq，發現ZMYND11預先結合在許多刺激誘導的基因中，並隨著H3.3S31位點產生磷酸化後而被彈出，此外ZMYND11的彈出依賴於IKK信號（圖4）。
圖4 | H3.3S31phejects the transcription repressor ZMYND11 and stimulates transcription.
總體來說，本文表明在小鼠巨噬細胞中組蛋白H3.3第31位絲氨酸隨著快速誘導的基因以刺激依賴性的方式發生磷酸化。刺激響應基因的這種選擇性標記涉及促進組蛋白甲基轉移酶SETD2活性，並「彈出」了延伸共抑制因子ZMYND11。本文結果表明包括組蛋白變體H3.3，其磷酸化以及染色質調節劑的募集和彈出的機制，保證了刺激誘導型基因的快速表達，使得細胞能夠更好地響應與適應環境刺激。
小鹿有話說
近年來，磷酸化蛋白質組學研究廣泛，與癌症發病、臨床診斷和治療等各個方面均密切相關。磷酸化是生物體內重要的翻譯後修飾，幾乎參與了細胞所有的生理和病理過程，本文也通過磷酸化以及染色質調節劑的募集和彈出的機制研究，使得細胞能夠得到更好地響應與適應環境刺激。
猜你還想看
◆Nat commu | "深度揭底"大樣本DIA磷酸化修飾蛋白組學定量技術
◆【1+1層層遞進】蛋白質組學水稻DIA與水稻磷酸化DIA的碰撞
◆Anal. Chem. | 中科院葉明亮博士基於PRM技術靶向蛋白質組學分析蛋白質複合物中蛋白質磷酸化修飾
◆多組學研究 | 西南大學與佛羅裡達大學合作發表柑橘黃龍病影響果肉風味的機製成果
END
文章來源於鹿明生物