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Sci Adv | 芝加哥大学赵英明教授团队揭示HDAC1-3是乳酸化去修饰酶

已有 401 次阅读 2022-1-21 17:01 |系统分类:论文交流

乳酸 (lactate) 是细胞糖酵解途径重要的含碳代谢产物,它的生物学功能因肿瘤细胞中Warburg effect的存在,而得到了广泛关注。 乳酸通常以3种光学异构体形式存在,即D-体,L-体及外消旋体DL-体。其中,L-乳酸 (L-lactate) 是人体和大多数哺乳动物糖酵解代谢主要产生的物质,在肿瘤、败血症、自身免疫性疾病等病理状态下显著增多,最高可达40 mM。更为重要的是,芝加哥大学赵英明教授在Nature上首次报道,乳酸是重要的表观遗传调控分子,在“writer”组蛋白乙酰基转移酶p300作用下,使组蛋白发生乳酸化修饰 (Kla),调控免疫激活过程中巨噬细胞极化相关基因表达 [1, 2]。然而,目前有关乳酸化修饰的调控机制研究尚处于初期阶段,乳酸化修饰“eraser”仍未见报道。 


2022年1月19日,芝加哥大学赵英明教授携手哥本哈根大学Christian A. Olsen教授等研究人员在国际专业期刊Science Advances(IF=14.143)发表题为“Class I Histone Deacetylases (HDAC1‒3) are Histone Lysine Delactylases”研究文章。研究首次报道发现Ⅰ类HDACs (HDAC 1-3) 是体外最有效的赖氨酸乳酸化修饰“eraser”,HDAC1和3也在细胞中发挥去乳酸化活性。

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芝加哥大学张迪(现为北京大学生命科学学院及北大-清华生命联合中心研究员)是该研究的第一作者。华东师范大学生命科学学院翁杰敏教授参与该研究。景杰生物为此项研究提供了一系列修饰抗体,如乳酸化修饰抗体 (PTM-1401, 1406, 1407)、乙酰化修饰抗体 (PTM-101)、巴豆酰化修饰抗体 (PTM-501) 等。

HDAC1-3是主要的乳酸化修饰“eraser”


研究人员发现,HEK293T细胞裂解物可以将乳酸化修饰基团从组蛋白赖氨酸ε-氨基上移除,而广谱HDAC抑制剂TSA同样抑制了去乳酸化修饰作用 (图1C);值得注意的是,体外实验中,重组蛋白HDAC1-3可以导致荧光耦联肽段p53317-320发生去乳酸化修饰 (图1D);此外,HDAC1-3和SIRT1-3还可引起组蛋白 (包括H3K18和H4K5) L-乳酸化修饰水平降低 (图1E)。以上这些体外实验结果初步提示,常见的去乙酰化酶HDAC1-3和SIRT1-3也具有去乳酸化修饰能力 (HDAC1-3效力最强),其中,HDAC3同时是最有效的乳酸化修饰“eraser” 。 

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图1  在体外HDACs对乳酸化修饰的影响


HDAC1和3在细胞中发挥去乳酸化修饰作用


进一步研究发现,广谱HDAC抑制剂 (丁酸钠/TSA) 和HDAC1-3特异性抑制剂Apicidin处理Hela细胞都引起了全蛋白乳酸化修饰水平的增加,但是IIa HDAC抑制剂TMP195和sirtuin抑制剂NAM却不能对乳酸化修饰水平产生影响,进一步验证了HDAC1-3是乳酸化修饰的“eraser”。更为严谨地,研究人员进一步在Hela细胞中分别过表达HDAC1-3,这虽然未在整体层面上影响组蛋白乳酸化修饰,但却明显降低了H4K5乳酸化修饰水平;相反地,RNA干扰HDAC1则能明显增加H4K5乳酸化修饰水平,而干扰HDAC2 表达则未对H4K5乳酸化产生影响。以上这些结果不仅表明HDAC1和3是细胞中主要调控组蛋白赖氨酸ε-氨基乳酸化的“eraser”,与此同时,也暗示着乳酸化修饰位点调控特异性以及其他“eraser”的存在


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图2 HDAC1和3在细胞中发挥去乳酸化修饰作用


HDAC3催化多种赖氨酸修饰能力的比较


除了介导去乙酰化、乳酸化修饰作用外,近期研究表明,HDAC3同样参与赖氨酸巴豆酰化、β-羟基丁酰化修饰基团的去除过程。于是,研究人员随后在体外实验中比较了HDAC3对多种PTMs的催化效率,结果发现,HDAC3催化去L-和D-乳酸化修饰活性最低,而I类HDAC结构中存在的组氨酸H134也使得其更倾向于结合K (D-la)。 

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图3 HDAC3对多种PTMs的催化效率比较


总而言之,此项研究中利用荧光标记肽段、重组蛋白HDACs、Hela细胞系等多种实验材料,首次系统性地探索了乳酸化修饰“eraser”,揭示了I类HDACs (HDAC1-3) 和SIRT1-3 的去乳酸化修饰活性,并且深入探讨了HDAC1-3对细胞组蛋白乳酸化修饰的调控作用,这些结果为未来揭示乳酸化修饰的精细调控奠定了坚实的理论基础。

参考文献

1. Di Zhang, et al. 2019. Metabolic regulation of gene expression by histone lactylation. Nature.

2. Erika L. Varner, et al. 2020. Quantification of lactoyl-CoA (lactyl-CoA) by liquid chromatography mass spectrometry in mammalian cells and tissues. Open Biol.

3. Di Zhang,et al. 2022. Class I histone deacetylases (HDAC1–3) are histone lysine delactylases. Science Advances.




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