细胞代谢 不仅可以提供细胞生长所需的基本能量及物质,还会产生许多修饰组蛋白的代谢中间体,影响细胞的表观遗传和基因表达。赖氨酸巴豆酰化修饰 (crotonylation, Kcr) ,在2011年由芝加哥大学 赵英明教授团队 在顶级期刊 Cell 杂志首次报道 [1] ,并被 Cell 杂志评选为 2011年度研究五大亮点之一 。随着研究的不断深入,越来越多的结果表明, 赖氨酸巴豆酰化修饰参与的基因表达调控以及非组蛋白的Kcr修饰和功能,与多种生理病理过程密切关联。 2021年12月28日,芝加哥大学 赵英明教授团队 在专业学术期刊 Cell Discovery 发表题为 Histone lysine methacrylation is a dynamic posttranslational modification regulated by HAT1 and SIRT2 的文章,报道了一种 新型修饰——组蛋白赖氨酸甲基丙烯酰化 (Kmea) 。Kmea是赖氨酸 (Kcr) 巴豆酰化的结构异构体。研究进一步发现组蛋白乙酰基转移酶1 (HAT1) 在体外 催化组蛋白H4上的Kmea,SIRT1和SIRT2催化Kmea的去除。
研究人员假设内源性代谢物甲基丙烯酰辅酶A会介导赖氨酸甲基丙烯酰化修饰 (Kmea) 的形成。Kmea是巴豆酰赖氨酸 (Kcr) 的结构异构体,同样产生+68.023Da质量偏移 (下图a) 。研究人员通过酸提取法从HeLa细胞中提取组蛋白,对样品进行胰蛋白酶消化后,进行 HPLC-MS/MS 分析,发现组蛋白H4赖氨酸91 (H4K91) 发生+68.023Da质量偏移。共洗脱实验发现源自HeLa细胞的H4K91+68.023肽与合成的H4K91mea肽共洗脱,而不与合成的H4K91cr肽共洗脱,表明其为Kmea肽。并结合臭氧分解反应,证实了 Kmea是组蛋白上的一个新的翻译后修饰类型。
研究人员开发了多克隆泛抗Kmea抗体,以进一步验证组蛋白Kmea。Kmea抗体表现出对Kmea肽极强的特异性结合,是未修饰、乙酰化 (Kac) 、丙酰化 (Kpr) 、丁酰化 (Kbu) 或巴豆酰化 (Kcr) 等其他酰化肽库的20倍或更多 (下图a) 。使用泛抗Kmea抗体,在HeLa细胞提取的组蛋白上检测到Kmea (下图b) 。
研究进一步发现甲基丙烯酸酯是组蛋白Kmea的代谢前体 。用甲基丙烯酸钠处理HeLa细胞会诱导Kmea的发生,甲基丙烯酸钠剂量的增加与组蛋白Kmea信号的增加一致 (下图c) 。用d7标记的甲基丙烯酸酯处理HeLa细胞24小时,然后使用泛抗Kmea抗体对提取的组蛋白进行胰蛋白酶消化并富集Kmea位点,检测到同位素甲基丙烯酸酯掺入Kmea修饰的三个位点 (下图d) 。
为了解Kmea的潜在作用,研究人员用甲基丙烯酸钠处理HeLa细胞24小时,使用泛Kmea抗体进行亲和富集,鉴定到组蛋白上 27个Kmea修饰位点 。组蛋白Kmea和Kcr之间的比较表明,在组蛋白H3、H4和H2B的N末端检测到更多Kmea标记,在组蛋白H1和H2A上检测到更多Kcr位点。这些结果 证明了组蛋白Kmea的广泛存在 ,并表明存在调控组蛋白赖氨酸甲基丙烯酰化和巴豆酰化的不同机制。
哺乳动物中有四个主要的 乙酰转移酶 家族,包括:HAT1、GCN5/PCAF、p300/CBP和MYST。研究人员选择每个亚家族的代表性成员——MOF、GCN5、HAT1和p300来鉴定Kmea的体外转移酶活性。结果表明其中 HAT1是Kmea的转移酶 ,能够在体外和哺乳动物细胞中催化甲基丙烯酰部分向组蛋白H4的转移。 HDAC1-3和SIRT1-3是赖氨酸巴豆酰化的去修饰酶 ,该研究证实 HDAC3、 SIRT1和SIRT2是Kmea的去修饰酶 , 具有在体外催化去除赖氨酸中甲基丙烯酰基的能力 。
总之,该研究报道了一种 新型翻译后修饰——Kmea ,并揭示了 甲基丙烯酸酯是Kmea的代谢前体,HAT1、SIRT1和SIRT2分别是Kmea的writer和Eraser 。研究使用 泛Kmea抗体 和 质谱法 在 HeLa细胞中鉴定到27个Kmea修饰的组蛋白位点 。这 为代谢和表观遗传调控之间的关联研究打开了一个新窗口。 Leigh综合症是一种以线粒体缺陷为特征的神经系统疾病,由于缬氨酸分解代谢途径中ECHS1和HIBCH酶的遗传突变导致,甲基丙烯酰辅酶A在具有这些突变的患者体内蓄积。 Kmea的发现为甲基丙烯酰辅酶A积累的病理作用提出了一种新的方向 。此外,在代谢和生理变化的其他先天性症状(例如糖尿病和缺氧)中,酰基辅酶A水平升高,Kmea修饰在其中是否及如何发挥作用?期待进一步的探索。
转载本文请联系原作者获取授权,同时请注明本文来自卜晨科学网博客。 链接地址: https://blog.sciencenet.cn/blog-3404471-1321021.html
上一篇:
Nature突破 | 磷酸化修饰组学揭示生长素“酸性假说”重要机制 下一篇:
Cancer cell | 樊嘉/周虎/高大明/高强联合绘制肝内胆管癌的多组学分子图谱