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Nat Comm重磅!陈勇/彭超组发现新型苯甲酰化修饰Writer,Reader和Eraser

已有 1653 次阅读 2022-6-17 13:48 |系统分类:论文交流

赖氨酸苯甲酰化 (Kbz) 是一种新发现的含有苯环的酰化修饰,主要发生在组蛋白的N末端尾部。赵英明教授于2018年首次报道SIRT2具有明显的去苯甲酰化酶活性[1] (原文跳转“祸从口入”---食品添加剂苯甲酸可以酰化修饰组蛋白,后续李海涛教授课题组报道DPF家族和YEATS家族是组蛋白苯甲酰化修饰Reader[2] (原文跳转Nucleic Acids Res | 清华大学李海涛教授团队首次揭示组蛋白苯甲酰化修饰“reader”)。


苯甲酸钠 (NaBz) 可通过生成苯甲酰-CoA刺激组蛋白发生苯甲酰化修饰 (Kbz)。NaBz是FDA批准的治疗尿素循环紊乱导致的高血氨症的药物,也是一种广泛使用的食品防腐剂,组蛋白Kbz的鉴定揭示了防腐剂如何改变人类表观基因组并影响基因表达谱。然而,组蛋白Kbz潜在的调节机制和相关的生理功能仍不明确,部分原因是对写入、去除和读取Kbz的蛋白缺乏了解。


近日,中科院分子细胞科学卓越创新中心陈勇与中科院蛋白质科学研究中心彭超研究员课题组在Nature Communications上发表题为“Global profiling of regulatory elements in the histone benzoylation pathway”的研究论文,系统研究了酿酒酵母中组蛋白Kbz的调节蛋白,并通过遗传、生化和结构分析等研究手段鉴定到Kbz的写入 (Writer)、擦除(Eraser) 和读取 (Reader) 的分子机制。作者还通过Kbz修饰蛋白组学鉴定到大量非组蛋白存在Kbz 修饰,尤其是参与核糖体合成和代谢过程的蛋白质。这些结果为剖析Kbz在不同细胞过程中的作用奠定了基础。该研究被Nature Communications评为近期的 "The 50 best paper”。景杰抗体PTMab®为该研究提供了Kbz泛抗体(Anti-Benzoyllysine Mouse mAb,PTM-762)

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酵母中组蛋白苯甲酰化的鉴定


作者首先通过WB确认了酵母的组蛋白上存在Kbz修饰,添加苯甲酸钠后这种修饰的丰度显著增加。同时,Kbz的丰度也响应体内代谢水平的变化。为了确定酵母组蛋白上Kbz的修饰位点,作者用酵母细胞 (10 mM 苯甲酸钠处理6小时) 组蛋白进行蛋白质组学分析。尽管Kbz是低丰度修饰,但仍在酵母的H3、H4、H2A、H2A.Z 和 H2B 上鉴定到27个Kbz位点,其中9个位点无需苯甲酸钠处理即可被检测到。大多数酵母组蛋白 Kbz 位点位于柔性核心组蛋白的N端尾部,球性结构域 (H2BK88、H3K42、H3K56、H3K115 和 H4K44) 中也存在 5 个 Kbz 位点,与哺乳动物细胞中仅位于组蛋白N端尾巴上的分布模式不同,暗示酵母中的Kbz修饰可能具有与哺乳动物细胞中不同的功能。

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图1 酵母组蛋白中的Kbz修饰的鉴定


组蛋白Kbz转移酶writer的鉴定


为鉴定Kbz转移酶,作者将从乙酰转移酶 (HAT) 为切入点,将七个非必需HAT逐一单独敲除,并用Kbz泛抗体检测组蛋白Kbz丰度。结果显示,只有Gcn5的缺失使组蛋白Kbz信号整体降低,意味着Gcn5可能是Kbz转移酶。此外,作者还在体外证实了Gcn5-Ada2的 Kbz转移酶活力,Gcn5-Ada2二元复合体是SAGA复合体中最小的HAT模块,SAGA复合物是一种进化上保守的转录共激活因子,通过其组蛋白乙酰转移酶和去泛素化酶活性、识别特定组蛋白修饰以及与转录因子的相互作用来调节基因表达。


作者还基于琥珀酰辅酶A结合的hGCN5复合物和酵母Gcn5-Ada2复合物建立了苯甲酰-CoA结合的Gcn5-Ada2。与结构模型一致,Gcn5-Ada2复合物对苯甲酰-CoA和琥珀酰-CoA 结合亲和力相当。体内和体外证据表明Gcn5可以作为酵母中的组蛋白苯甲酰转移酶。此外,组蛋白苯甲酰化修饰还可以通过非酶途径实现。

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图2 含Gcn5复合物是组蛋白Kbz转移酶


三、组蛋白去苯甲酰化酶eraser的鉴定


为鉴定组蛋白去Kbz酶,作者从HDAC入手,研究突变HADC后Kbz水平的变化。令人意外的是,HDAC突变显著提升组蛋白Kac化水平但对于Kbz的影响并不明显。其中,Hst2对其影响稍大,体外实验证明了Hst2具有组蛋白去Kbz酶活力,但其去Kbz活力远低于去Kac活力。为了确定Hst2的特异性,作者利用ITC (等温热滴定法) 测量了Hst2与不同位点Kbz修饰的肽段的解离常数 (体现亲和力),结果介于1.4-15 μM之间,并发现亲和力大小与酶活高低正相关。因此,Hst2是赖氨酸去苯甲酰化酶之一,并对序列的选择没有特异性。作者还解析了Hst2的蛋白质结构,进一步证明Hst2具有去Kbz功能。

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图3 Hst2是一个组蛋白去苯甲酰化酶


酵母中苯甲酰化阅读器 (reader) 结构域的鉴定


YEATS和DPF结构域是人组蛋白Kbz阅读器,酵母具有三个含YEATS结构域的蛋白质,但无DPF结构域。为了筛选酵母中潜在的Kbz阅读器,作者从大肠杆菌中纯化了Taf14、Sas5 和 Yaf9 的YEATS 结构域,并通过ITC测量其与含Kbz修饰的H3多肽序列(H3K9、K14、K18、K23 和 K27) 之间的结合亲和力。ITC分析表明,Taf14和Sas5都具有Kbz结合能力,尽管特异性不同,表明来自Taf14和Sas5的YEATS结构域是Kbz的潜在阅读器。作者还从蛋白结构角度证明这些YEATS结构域对苯甲酰化修饰识别的分子机制与哺乳动物保守。此外,作者还在酵母中发现大部分bromodomain不能结合Kbz修饰,但Sth1与H3K14bz存在强相互作用。

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图4 Taf14和Sas5中的YEATS结构域是赖氨酸苯甲酰化阅读器


酵母中非组蛋白Kbz修饰组研究


作者通过WB实验发现一些非组蛋白也可发生Kbz修饰,为了识别所有含Kbz修饰的非组蛋白底物及其修饰位点,进行了Kbz修饰蛋白质组学分析。作者在149种非组蛋白上共鉴定到207个苯甲酰化修饰位点,约13.9%的非组蛋白 Kbz修饰蛋白在线粒体中富集,48.2% 和 40.0% 的非组蛋白Kbz蛋白分别位于细胞核和细胞质中。GO分析表明,大多数非组蛋白Kbz蛋白参与核糖体生物合成、糖酵解、糖异生和rRNA加工等过程。值得注意的是,糖酵解途径中的18种酶中有10种含有苯甲酰化修饰。其中,磷酸丙酮酸水合酶Eno1有8个苯甲酰化位点,有意思的是,其中三个位点 (K346、K397和K409) 靠近Eno1的活性位点,这些位点的苯甲酰化可能会消除Eno1的酶活性。修饰组学的结果表明Kbz修饰在酵母细胞中广泛存在,并暗示其与细胞代谢途径之间存在潜在联系。

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图5 酵母细胞中 Kbz 修饰蛋白学分析


综上所述,该研究系统全面地描述了酵母中组蛋白Kbz的调控元件,并通过遗传、生化和结构分析揭示了这些蛋白写入、擦除和读取 Kbz 标记的分子机制除了保守的组蛋白苯甲酰化外,Kbz修饰的全细胞蛋白质组学分析将含有 Kbz 的蛋白质底物扩展到广泛的蛋白质,尤其是参与核糖体生物发生和代谢过程的蛋白质。这些结果为剖析赖氨酸苯甲酰化在不同细胞过程中的作用奠定了基础。

参考文献:

1. He Huang, et al. 2018. Lysine benzoylation is a histone mark regulated by SIRT2, Nature Communications.

2. Xiangle Ren, Yang Zhou, et al. 2020. Histone benzoylation serves as an epigenetic mark for DPF and YEATS family proteins. Nucleic Acids Research.

3. Duo Wang,et al. 2022.Global profiling of regulatory elements in the histone benzoylation pathway. Nature Communications.

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原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5NDM5NjQxOA==&mid=2650497167&idx=1&sn=d2a8aff1c7bc30a761b2048d3ab9ad48&chksm=be87a0e289f029f4ad24ba7237a35e92aa6c326c6587b6e1f6d4e60264554ea6bfc481d554a6&token=359764967&lang=zh_CN#rd

阅读原文:https://www.nature.com/articles/s41467-022-29057-2



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