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美国NIH李小玲团队发现组蛋白巴豆酰化促进胚胎干细胞向中内胚层分化

已有 761 次阅读 2021-1-15 11:52 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

北京时间2021年1月15日凌晨0时,《细胞—干细胞》在线发表了美国国立卫生研究院(NIH)环境健康科学研究所李小玲组关于代谢和干细胞分化的最新研究成果,题为“Histone crotonylation promotes mesoendodermal commitment of human embryonic stem cells”。


该研究揭示了短链脂肪酸代谢所产生的中间产物巴豆酰辅酶A能够修饰组蛋白,从而促进胚胎干细胞向中内胚层分化,为代谢调节细胞分化提供了新的分子机制。


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美国国立卫生研究院环境健康科学研究所代谢基因环境研究组李小玲(Xiaoling Li)资深研究员为高级作者和主通讯作者,该组的research fellow方祎(Yi Fang)是第一作者和共同通讯作者。该所的徐肖江(Xiaojiang Xu)和李建良(Jian-Liang Li)是生物信息学分析的高级作者。

 

细胞的代谢对细胞特定的功能和命运具有重要意义。这不仅仅是因为代谢反应提供了细胞活动所需要的基本物质和能量,还因为很多代谢反应的中间产物能够修饰调节其他蛋白的功能 [1, 2]。尤其是一些代谢产物如乙酰辅酶A能够修饰组蛋白,从而调节表观遗传和基因表达。因此阐明代谢对于特定细胞过程或功能的作用及机制可以为干预该过程提供分子机制。

 

胚胎干细胞和其分化的细胞依赖不同的代谢反应。在胚胎发育过程中,胚胎干细胞先分化为内,中,外三个胚层,然后这三个胚层再发育为全身各个器官和组织。在代谢上,胚胎干细胞和外胚层依赖于糖酵解,而中内胚层则转而依赖于氧化磷酸化[3]。在胚胎干细胞中,糖酵解产生的乙酰辅酶A已知能提高H3K27ac 和H3K9ac 水平,从而促进维持干细胞多能性(pluripotency)的基因表达[4]。因此抑制糖酵解能抑制胚胎干细胞的多能性,而提高乙酰辅酶A水平则能促进多能性保持而抑制分化。然而对于氧化磷酸化对中内胚层的分化的直接影响目前并不清楚。

 

组蛋白巴豆酰化(Kcr)是近年来由质谱发现的一种新的组蛋白修饰。和组蛋白乙酰化(Kac)一样,Kcr也促进基因表达,但是它在体内的具体生理功能一直未知[5-8]。巴豆酰辅酶A是组蛋白巴豆酰化的底物。它可以由短链脂肪酸中的巴豆酸加辅酶A 而来,也可以由赖氨酸,色氨酸的分解产物和丁酸(一种4碳的脂肪酸)氧化降解产生(图1)。

 

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图1 巴豆酰辅酶A的代谢生成途径

 

在诱导人类胚胎干细胞分化成三个胚层的过程中,研究人员发现了三个产生巴豆酰辅酶A的酶在分化的中内胚层细胞中表达增加。在这三个酶中,ACSS2催化给巴豆酸加上辅酶A,而ACADS和ACOX3则分别是在线粒体和过氧化物酶体中催化脂肪酸氧化降解的酶。


以诱导干细胞分化为内胚层细胞为例,研究人员进一步通过CHIP-seq分析发现组蛋白Kcr在内胚层基因的启动子和/或增强子上显著富集,且其富集程度和基因表达正相关。而分别敲除这三个酶降低了组蛋白Kcr的水平,且抑制内胚层细胞的分化,却促进了外胚层的分化。


更重要的是,给细胞孵育巴豆酸不仅能促进野生型干细胞分化成内胚层细胞,而且能够完全补救因ACADS/ACOX3敲除而引起的Kcr水平的降低及向内胚层分化的缺陷,证明脂肪酸代谢产生的巴豆酰辅酶A是内胚层细胞分化必须的。


进一步采用在细胞培养中通过氨基酸进行稳定同位素标记(SILAC)的定量蛋白质组学分析,研究人员发现了两个只在分化的内胚层细胞才有的组蛋白巴豆酰化的位点,而把这两个位点分别突变则抑制了内胚层细胞的分化,有力证明了组蛋白巴豆酰化是内胚层分化所必须的(图2)。

 

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图2 组蛋白的巴豆酰化促进胚胎干细胞的中内胚层分化

 

此项由NIH领导的研究首次揭示了组蛋白巴豆酰化在体内的生理意义,同时也首次阐明脂肪酸代谢可以通过产生巴豆酰辅酶A来修饰组蛋白,从而调节基因表达和决定细胞命运。

 

该研究同时证明巴豆酸可以作为营养添加剂来促进体外内中胚层细胞的分化,从而优化了中内胚层细胞体外分化的条件,这将有力地推动有关中内胚层细胞分化的研究及其在干细胞疗法中的应用。


相关论文信息:

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


参考文献

1. Folmes, C.D., et al., Somatic oxidative bioenergetics transitions into pluripotency-dependent glycolysis to facilitate nuclear reprogramming. Cell Metab, 2011. 14(2): p. 264-71.

2. Carey, B.W., et al., Intracellular alpha-ketoglutarate maintains the pluripotency of embryonic stem cells. Nature, 2015. 518(7539): p. 413-6.

3. Cliff, T.S., et al., MYC Controls Human Pluripotent Stem Cell Fate Decisions through Regulation of Metabolic Flux. Cell Stem Cell, 2017. 21(4): p. 502-516 e9.

4. Moussaieff, A., et al., Glycolysis-mediated changes in acetyl-CoA and histone acetylation control the early differentiation of embryonic stem cells. Cell Metab, 2015. 21(3): p. 392-402.

5. Tan, M., et al., Identification of 67 histone marks and histone lysine crotonylation as a new type of histone modification. Cell, 2011. 146(6): p. 1016-28.

6. Sabari, B.R., et al., Intracellular crotonyl-CoA stimulates transcription through p300-catalyzed histone crotonylation. Mol Cell, 2015. 58(2): p. 203-15.

7. Rousseaux, S. and S. Khochbin, Histone Acylation beyond Acetylation: Terra Incognita in Chromatin Biology. Cell J, 2015. 17(1): p. 1-6.

8. Sabari, B.R., et al., Metabolic regulation of gene expression through histone acylations. Nat Rev Mol Cell Biol, 2017. 18(2): p. 90-101.





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