【表觀遺傳蛋白修飾專題】詳解賴氨酸巴豆醯化研究進展

隨著人們對蛋白質功能和生物學機制研究的逐步深入，蛋白質翻譯後修飾的重要性與日俱增。比如磷酸化、乙醯化、泛素化、琥珀醯化等翻譯後修飾是真核細胞生物調節蛋白質發揮生物學功能的重要方式，對發育、代謝、疾病等眾多生理過程均起到關鍵的調控作用。相比於磷酸化乙醯化等早已被人熟知的修飾類型，賴氨酸巴豆醯化（Lysine Crotonylation, Kcr）可以算是修飾領域的"晚輩"，其在2011年才由芝加哥大學趙英明教授研究團隊發現，刊發於頂級期刊Cell雜誌，並被Cell雜誌評選為2011年表觀遺傳領域的研究亮點。巴豆醯化發現之初就引起了科學界的廣泛關注，短短5年時間，巴豆醯化的研究更是取得了長足發展，下面，小編就帶各位梳理下近些年巴豆醯化研究的熱點發現。
 
1.Identification of 67 histone marks and histone lysine crotonylation as a new type of histone modification.巴豆醯化修飾被首次發現
Cell, IF= 32.242, PMID: 21925322

 
摘要
前體蛋白是沒有活性的，常常要進行一個系列的翻譯後加工，才能成為具有功能的成熟蛋白。加工的類型是多種多樣的，一般分為四種：N-端fMet或Met的切除，二硫鍵的形成；化學修飾和剪切。這些翻譯後修飾具有重要的意義，通過這些修飾，蛋白上被加上小化學基團，比如乙醯化的作用是將一個乙醯基因吸附到蛋白質，這是一種常見的修飾模式，蛋白的功能因此大大被改變。在幾種胺基酸中，賴氨酸由於其非凡的化學反應活性，常常成為被修飾的目標。

 
1）本次研究在細胞中篩查出了67個新組蛋白修飾標記，並由此發現了一種新型組蛋白翻譯後修飾方式--賴氨酸巴豆醯化（Crotonylation) 修飾。
2）通過進一步的結構及基因組定位分析，證實了氨酸巴豆醯化修飾是一種進化高度保守，且在生物學功能上完全不同於組蛋白賴氨酸乙醯化 (Kac)的蛋白質修飾方式。
3）在人類體細胞和小鼠精子細胞基因組中，組蛋白Kcr分布於基因活性轉錄啟動區域或增強子上。在減數分裂後的精子細胞中，Kcr高豐度集中在性染色體上標記睪丸特異性基因，其中包括大量性染色體活性基因。
 
新研究首次報導了新型蛋白質琥珀醯化修飾後發現的又一種新型的蛋白質修飾方式----賴氨酸巴豆醯化修飾，並闡述了其生物學功能。證明該修飾能與活性轉錄啟動區域和增強子密切作用，並與減數分裂後期精子細胞中性染色體的活性基因密切相關。這些研究發現對於深入了解蛋白的多項生物功能，以及蛋白翻譯後修飾對於蛋白功能的影響具有重要意義。
 
文獻全文連結：
http://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(11)00891-9?_returnURL=http%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0092867411008919%3Fshowall%3Dtrue
 
2.Intracellular crotonyl-CoA stimulates transcription through p300-catalyzed histone crotonylation.細胞內crotonyl-CoA複合物通過p300催化的組蛋白巴豆醯化刺激轉錄
Molecular Cell, IF=14.018, PMID: 25818647

  
摘要
特定基因組處的組蛋白可發生多種翻譯後修飾，激活調控元件，因此在轉錄調控中扮演著重要的角色。了解組蛋白修飾調控的關鍵是對共價修飾特定靶位點的催化酶系統的鑑定和表徵研究。細胞調節和快速擴張的化學修飾的功能相關性，如組蛋白的醯化修飾，很多重要過程仍然未被探明。眾多被鑑定出的新型修飾，比如丁醯化、琥珀醯化、巴豆醯化等，在化學結構及修飾位點上有所不同，它們相互之間以及與乙醯化修飾是否存在功能上的差異仍未可知，這在一定程度上增加了組蛋白賴氨酸多種修飾之間潛在的複雜性。

 
1）共激活因子p300具有雙重催化活性，同時具有組蛋白乙醯化轉移酶（HAT）和巴豆醯化轉移酶（HCT）的活性。
2）p300催化的組蛋白巴豆醯化能夠直接促進轉錄過程，程度甚至強於通過催化組蛋白乙醯化而促進的。
3）組蛋白巴豆醯化受到細胞內crotonyl-CoA複合物濃度的影響，由此可以通過遺傳和環境兩方面共同調控巴豆醯化修飾。
4）在轉錄激活的巨噬細胞系RAW264.7（模式細胞）中脂多糖（LPS）介導的炎症應答反應表明，增加或減少細胞內crotonyl-CoA複合物的濃度會分別增強或減弱基因表達水平，這與活化基因相應的調節因子周邊的組蛋白巴豆醯化水平變化相一致。
 
這項研究闡明了細胞內外的代謝狀態直接影響到染色質的狀態，這是通過引起組蛋白巴豆醯化和乙醯化所需的代謝物/輔因子濃度的變化而導致的。
 
文獻全文連結：
http://www.cell.com/molecular-cell/abstract/S1097-2765(15)00143-4?_returnURL=http%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS1097276515001434%3Fshowall%3Dtrue
 
3.Molecular Coupling of Histone Crotonylation and Active Transcription by AF9 YEATS Domain. AF9 YEATS 結構域研究揭示組蛋白巴豆醯化與轉錄活性的關係
Molecular Cell, IF=14.018, PMID: 27105114

 
摘要
通過染色質結合蛋白型（chromatin-binding protein modules）這種蛋白質閱讀器（reader）對組蛋白修飾的識別是表觀調節的一種主要形式，Bromo結構域就是一種具有代表性的組蛋白乙醯化閱讀器家族。而一些新發現的非乙醯化組蛋白賴氨酸醯化修飾，如巴豆醯化、丙二醯化、丁醯化等，在前人的研究中還沒有找到相應的閱讀器。

 
1）這項研究首次發現了YEATS 結構域可以作為一種巴豆醯化閱讀器，更重要的是，證明了AF9這種轉錄調控因子上的YEATS 結構域直接將蛋白巴豆醯化與轉錄調控聯繫在了一起。
2）AF9對組蛋白H3的9、18和27位賴氨酸巴豆醯化（H3K9cr，H3K18cr，和H3K27cr）的識別能力比相應的乙醯化提高2-3倍；相比之下，同樣是組蛋白乙醯化修飾閱讀器家族成員的Bromo結構域卻並不具備組蛋白巴豆醯化識別偏好性。
3）AF9 YEATS結構域擁有特異性針對巴豆醯基的苯環夾籠結構（aromaticsandwiching cage），剛好適合crotonyl-lysine進入，並由巴豆醯基和苯環之間芳環作用和疏水相互作用強化。這在YEATS中被保留，但在Bromo結構域中卻並未出現。
4）利用內毒素（LPS）刺激下的巨噬細胞基因表達體系，研究人員進一步證實AF9 YEATS依賴的組蛋白巴豆醯化識別可以激發內毒素誘導的炎症應答基因表達。
 
文獻全文連結：
http://www.cell.com/molecular-cell/abstract/S1097-2765(16)30011-9?_returnURL=http%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS1097276516300119%3Fshowall%3Dtrue
 
景傑生物（PTM BIO）獨立開發了巴豆醯化泛抗體及組蛋白修飾抗體，同時成功開發了世界上種類最多、覆蓋位點最全的蛋白質修飾泛抗體與組蛋白表觀遺傳標記抗體。公司基於世界領先的蛋白質組學技術、高靈敏度生物質譜儀和生物信息學數據挖掘能力，為全球著名生物醫學研究實驗室、大中型醫院、個體化藥物研發中心提供蛋白質組學相關服務。全球研究人員及藥物研發中心基於我們高質量產品與技術已累計發表數百篇具有重要影響力的論文及專利，其中在頂級學術期刊Cell、Nature、Science及其子刊上已先後發表論文數十篇。（www.ptm-biolab.com.cn）
（生物谷Bioon.com）