編者按
組蛋白賴氨酸上的翻譯後修飾是表觀遺傳調控的重要形式，近年來以芝加哥大學趙英明教授課題組為代表的研究成果顯示，除了傳統的乙醯化修飾之外，蛋白質賴氨酸上的類醯化修飾包括丙醯化、丁醯化、琥珀醯化、巴豆醯化、丙二醯化、戊二醯化、三羥基丁醯化和二羥基異丁醯化共8種新型修飾在細胞生命活動中也具有廣泛的調節作用。近日，趙英明課題組Huang He博士等在Molecular Cell發表了題為「EP300-Mediated Lysine 2-Hydroxyisobutyrylation Regulates Glycolysis」的論文，證明了乙醯化轉移酶EP300是關鍵的蛋白二羥基異丁醯轉移酶，並揭示了EP300調控的蛋白二羥基異丁醯化在細胞糖酵解代謝調控中的重要作用。近十多年來，EP300被發現能夠催化多種賴氨酸醯化反應。此研究結果回答了多年來學術界關於EP300底物選擇性的一個疑問，即表明EP300對不同化學結構的底物存在明顯的內在選擇性，從而差異性地調控下遊生物學進程。
背景介紹：
組蛋白賴氨酸上的翻譯後修飾是表觀遺傳學密碼的重要組成部分，它們動態地調節染色質的結構和功能，調控著基因表達等眾多與染色質相關的重要生理和病理進程。近年來芝加哥大學趙英明課題組綜合運用生物質譜和生物化學方法，在國際上率先報導了發生在蛋白質賴氨酸上的丙醯化、丁醯化、琥珀醯化、巴豆醯化、丙二醯化、戊二醯化、三羥基丁醯化和二羥基異丁醯化共8種新型修飾（Cell, 2014, 159, 458;Chem Rev,2015, 115, 2376;Nat Rev Mol Cell Biol, 2017, 18, 90）【1-3】。趙英明課題組迄今獨立發現超過500個組蛋白表觀遺傳學密碼，超過人類已知組蛋白表觀遺傳學密碼中的一半，是目前國際上發現組蛋白表觀遺傳學密碼最多的研究團隊。這些原創性的重要工作，極大地擴展了組蛋白遺傳密碼的信息含量，將許多代謝過程和表觀遺傳學銜接起來，同時還闡釋了一些先天性遺傳病的機理，極大地拓寬了人們對組蛋白密碼和表觀遺傳學機理的認識。
在趙英明課題組報導的眾多蛋白質醯化修飾中，2014年發表在Nature Chemical Biology上關於組蛋白賴氨酸二羥基異丁醯化（Lysine 2-Hydroxyisobutyrylation，Khib）的研究成果逐漸成為研究熱點（文章第一作者戴倫治博士，現為四川大學生物治療國家重點實驗室青年千人）【4】。Khib廣泛發生於組蛋白並對精子細胞的分化起到重要的調控作用，但這種新修飾的作用機制尚有待闡明。
值得一提的是，趙英明課題組Huang He博士不久前在Cell Research雜誌上發表了題為「Landscape of the Regulatory Elements for Lysine 2-Hydroxyisobutyrylation Pathway」的研究論文【5】。通過蛋白質組學方法在哺乳動物細胞中深入鑑定Khib底物位點，證明了TIP60是一種組蛋白二羥基異丁醯化轉移酶，並發現HDAC2 和HDAC3是細胞中關鍵的組蛋白去二羥基異丁醯化酶。此項工作報導了首個哺乳動物細胞二羥基異丁醯化譜，發現超過6500個非組蛋白上發生Khib修飾。同時系統性地研究了Khib的修飾酶和去修飾酶，並首次揭示TIP60的非乙醯化轉移酶功能。此外，趙英明課題組和中國科學院深圳先進技術研究院戴俊彪、軍事醫學科學院錢小紅課題組合做，研究了酵母中的二羥基異丁醯化底物譜、關鍵調控蛋白以及組蛋白H4K8二羥基異丁醯化在酵母糖平衡過程中的重要作用。相關文章發表在PNAS上【6】。這些成果為進一步深入研究Khib通路的生物學功能奠定了良好的基礎。
研究思路和成果：
圖一：EP300催化Khib和乙醯化
在此項工作中，研究人員發現在細胞中乙醯化轉移酶EP300不僅調控蛋白乙醯化水平，還能夠直接、有效地催化蛋白賴氨酸Khib（圖一）。那麼受到EP300調控的Khib和乙醯化修飾底物都有哪些呢？基於穩定同位素標記細胞培養的定量蛋白質組學技術，研究人員共鑑定出4239個Khib修飾位點，其中149個受EP300顯著調控。同時鑑定出的還有3682個乙醯化修飾位點，包括693個受EP300顯著調控的位點。令人驚奇的是，EP300調控的Khib位點和乙醯化位點有極大不同，只有6個位點相互疊合（圖二）。近十多年來，EP300被發現能夠催化多種賴氨酸醯化反應。因此，此研究結果回答了多年來學術界關於EP300底物選擇性的一個疑問，即表明EP300對不同化學結構的底物存在明顯的內在選擇性，從而差異性地調控下遊生物學進程。
圖二：EP300調控的Khib和乙醯化定量蛋白質組學
既然EP300能夠選擇性調控Khib修飾，那麼這種調控能夠介導什麼樣的生物學功能呢？通過對以上蛋白質組學的生物信息學分析，研究人員發現，在HCT116細胞中，EP300調控的乙醯化傾向於RNA相關生物學功能，而EP300調控的Khib則同糖酵解、碳代謝以及胺基酸生物合成密切相關。其中，糖酵解通路10個關鍵酶中有5個都含有EP300調控的Khib位點。進一步研究表明，EP300調控的Khib對這些酶（如ENO1）的活性和功能有顯著影響（圖三）。例如在EP300敲除的細胞中，因其糖酵解功能受到削弱，從而對葡萄糖飢餓誘導的細胞死亡非常敏感。因此本研究發現EP300通過調控Khib來調節細胞糖代謝的全新機理，揭示了該修飾發揮生物學功能的新機制。
圖三：EP300通過調控糖酵解通路關鍵酶的Khib修飾來調節胞內糖代謝
據悉，趙英明課題組的Huang He博士是本文的第一作者，參與該研究的研究組有NIH的Xiaoling Li教授、杜克大學的Jason W. Locasale教授以及洛克菲勒大學的Robert G. Roeder教授等。趙英明教授和Xiaoling Li教授是該論文的共同通訊作者。
後記：
近年來趙英明課題組還與其他課題組合作，共同致力於探索組蛋白醯化修飾參與的生物學功能及其在人類疾病模型中的作用，並取得了一系列重要的突破，相關論文均發表在頂尖學術期刊上。需特別指出的是，許多華人科學家和學者在組蛋白修飾領域做出了傑出的前沿性工作，如四川大學青年千人學者戴倫治教授，景傑生物CEO程仲毅博士，明尼蘇達大學陳悅教授，中科院上海藥物所青年千人學者譚敏佳研究員，國家蛋白質科學中心（上海）彭超博士（以上五位學者均在趙英明教授實驗室經歷過博士或博士後的培訓）。此外，在美國的還有哥倫比亞大學顧偉教授，康奈爾大學林和寧教授，耶魯大學楊曉勇教授，安德森癌症研究中心的石曉冰教授和呂志民教授，以及來自中國的首都醫科大學校長尚永豐院士，清華大學李海濤教授，華東師範大學翁傑敏教授，北京大學醫學部張宏權教授，華中科技大學薛宇教授，香港大學郝權和李祥教授，中科院上海藥物所葉陽研究員、李佳研究員和李靜雅研究員，復旦大學的楊芃原、管坤良、熊躍、趙世民、葉丹、雷群英教授，西南大學謝建平研究員，中科院水生生物研究所葛峰研究員，中國科學院武漢植物園楊平仿研究員，中科院北京生物物理研究所楊福全和劉平生研究員等。以上學者均在此領域做出了重要的創新性貢獻。我們相信隨著研究的深入，更多的組蛋白醯化修飾及其生物學功能被研究人員發現。
參考文獻：
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2. Huang, H., Lin, S., Garcia, B. A., Zhao, Y., Quantitative proteomic analysis of histone modifications.Chemical reviews2015, 115, 2376-2418.
3. Sabari, B. R., Zhang, D., Allis, C. D., Zhao, Y., Metabolic regulation of gene expression through histone acylations. Nature reviews.Molecular cell biology2017, 18, 90-101.
4. Dai, L., Peng, C., Montellier, E., Lu, Z., et al., Lysine 2-hydroxyisobutyrylation is a widely distributed active histone mark.Nature chemical biology2014, 10, 365-370.
5. Huang, H., Luo, Z., Qi, S., Huang, J., et al., Landscape of the regulatory elements for lysine 2-hydroxyisobutyrylation pathway.Cell research2018, 28, 111-125.
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附近兩年此領域發表的部分相關論文：
1. Wang, Y.; Jin, J.; Chung, M. W. H.; Feng, L.; Sun, H.; Hao, Q., Identification of the YEATS domain of GAS41 as a pH-dependent reader of histone succinylation.Proc Natl Acad Sci U S A2018, 115 (10), 2365-2370.
2. Wang, F.; Wang, K.; Xu, W.; Zhao, S.; Ye, D.; Wang, Y.; Xu, Y.; Zhou, L.; Chu, Y.; Zhang, C.; Qin, X.; Yang, P.; Yu, H., SIRT5 Desuccinylates and Activates Pyruvate Kinase M2 to Block Macrophage IL-1beta Production and to Prevent DSS-Induced Colitis in Mice.Cell Rep2017, 19 (11), 2331-2344.
3. Liu, S.; Yu, H.; Liu, Y.; Liu, X.; Zhang, Y.; Bu, C.; Yuan, S.; Chen, Z.; Xie, G.; Li, W.; Xu, B.; Yang, J.; He, L.; Jin, T.; Xiong, Y.; Sun, L.; Liu, X.; Han, C.; Cheng, Z.; Liang, J.; Shang, Y., Chromodomain Protein CDYL Acts as a Crotonyl-CoA Hydratase to Regulate Histone Crotonylation and Spermatogenesis.Mol Cell2017, 67 (5), 853-866 e5.
4. Wei, W.; Liu, X.; Chen, J.; Gao, S.; Lu, L.; Zhang, H.; Ding, G.; Wang, Z.; Chen, Z.; Shi, T.; Li, J.; Yu, J.; Wong, J., Class I histone deacetylases are major histone decrotonylases: evidence for critical and broad function of histone crotonylation in transcription.Cell Res2017, 27 (7), 898-915.
5. Wang, Y.; Guo, Y. R.; Liu, K.; Yin, Z.; Liu, R.; Xia, Y.; Tan, L.; Yang, P.; Lee, J. H.; Li, X. J.; Hawke, D.; Zheng, Y.; Qian, X.; Lyu, J.; He, J.; Xing, D.; Tao, Y. J.; Lu, Z., KAT2A coupled with the alpha-KGDH complex acts as a histone H3 succinyltransferase.Nature2017, 552 (7684), 273-277.
6. Andrews, F. H.; Shinsky, S. A.; Shanle, E. K.; Bridgers, J. B.; Gest, A.; Tsun, I. K.; Krajewski, K.; Shi, X.; Strahl, B. D.; Kutateladze, T. G., The Taf14 YEATS domain is a reader of histone crotonylation.Nat Chem Biol2016, 12 (6), 396-8.
7. Goudarzi, A.; Zhang, D.; Huang, H.; Barral, S.; Kwon, O. K.; Qi, S.; Tang, Z.; Buchou, T.; Vitte, A. L.; He, T.; Cheng, Z.; Montellier, E.; Gaucher, J.; Curtet, S.; Debernardi, A.; Charbonnier, G.; Puthier, D.; Petosa, C.; Panne, D.; Rousseaux, S.; Roeder, R. G.; Zhao, Y.; Khochbin, S., Dynamic Competing Histone H4 K5K8 Acetylation and Butyrylation Are Hallmarks of Highly Active Gene Promoters.Mol Cell2016, 62 (2), 169-180.
8. Xie, Z.; Zhang, D.; Chung, D.; Tang, Z.; Huang, H.; Dai, L.; Qi, S.; Li, J.; Colak, G.; Chen, Y.; Xia, C.; Peng, C.; Ruan, H.; Kirkey, M.; Wang, D.; Jensen, L. M.; Kwon, O. K.; Lee, S.; Pletcher, S. D.; Tan, M.; Lombard, D. B.; White, K. P.; Zhao, H.; Li, J.; Roeder, R. G.; Yang, X.; Zhao, Y., Metabolic Regulation of Gene Expression by Histone Lysine beta-Hydroxybutyrylation.Mol Cell2016, 62 (2), 194-206.
9. Xiong, X.; Panchenko, T.; Yang, S.; Zhao, S.; Yan, P.; Zhang, W.; Xie, W.; Li, Y.; Zhao, Y.; Allis, C. D.; Li, H., Selective recognition of histone crotonylation by double PHD fingers of MOZ and DPF2.Nat Chem Biol2016, 12 (12), 1111-1118.
10. Zhao, D.; Guan, H.; Zhao, S.; Mi, W.; Wen, H.; Li, Y.; Zhao, Y.; Allis, C. D.; Shi, X.; Li, H., YEATS2 is a selective histone crotonylation reader.Cell Res2016, 26 (5), 629-32.