EMBO reports | 南开大学张晓东组首次揭示HAT1琥珀酰转移酶促进肝癌细胞生长

2021-01-30 13:14:10, 杨光博士杭州景杰生物科技股份有限公司

杨光南开大学 | 撰文

作为赖氨酸酰化修饰家族的重要一员，赖氨酸琥珀酰化修饰于2011年由芝加哥大学赵英明教授团队在Nature Chemical Biology 发文被首次报道 [1]。自发现以来，研究者们已经鉴定出琥珀酰化在诸多重要领域的关键作用：如心肌肥厚中对脂肪酸代谢关键酶的活性调节；在炎症激发过程中对知名激酶PKM2的构象和亚细胞定位调节；对肺结核杆菌的中心代谢调控作用等等。

与此同时，关于琥珀酰化的调控酶系统（转移酶writer和去修饰酶eraser）也有了越来越多的报道。如赖氨酸乙酰转移酶KAT2A被发现可以调节组蛋白H3K79位点琥珀酰化， SIRT5可作为去琥珀酰化酶发挥作用。SIRT7可以去除H3K122琥珀酰基团来影响DNA损伤响应过程及基因组稳定性。然而与之相反的，H3K122琥珀酰基团转移酶writer仍然未知。另一方面，HAT1作为一种B型组蛋白乙酰转移酶，已知能够调控组蛋白和非组蛋白的乙酰化修饰，然而HAT1是否同时具有介导琥珀酰化修饰的功能，至今没有报道。

近日，南开大学生命科学学院生物化学与分子生物学系张晓东团队在著名学术期刊EMBO reports 上以封面文章的方式发表论文“Histone acetyltransferase 1 is a succinyltransferase for histones and non-histones and promotes tumorigenesis”，该研究首次阐明了组蛋白乙酰转移酶HAT1具有琥珀酰转移酶功能，可影响表观遗传调控过程及相关基因的表达激活。糖酵解关键酶PGAM1可与HAT1直接互作发生琥珀酰化修饰，进而促进肝癌细胞糖酵解作用，促进肝癌细胞生长。景杰生物为该研究的琥珀酰化修饰组学分析提供了技术支持。

我们特别邀请到本文的第一作者，南开大学杨光博士，为我们分享该研究的主要内容和科研故事。

图1 EMBO reports 2021年2月封面文章

1、HAT1能够在肝癌细胞中调控多个蛋白的琥珀酰化修饰

为了研究HAT1是否具有调节琥珀酰化修饰的功能，作者应用CRISPR/Cas9技术在HepG2肝癌细胞系中稳定敲除HAT1（样本策略）。除影响乙酰化修饰外，研究发现HAT1敲除能够显著降低细胞内整体琥珀酰化修饰水平，且对其他酰化修饰丁酰化、巴豆酰化等无明显影响。通过进一步琥珀酰化修饰组学检测（质谱策略），鉴定到包括组蛋白和非组蛋白在内的869个蛋白上3,203个位点可发生琥珀酰化修饰，其中HAT1能够影响204个蛋白上324个位点发生修饰水平下调（Figure 2）。

图2 HAT1敲除对琥珀酰化修饰的影响

2、HAT1是一个新的组蛋白琥珀酰转移酶

已知组蛋白修饰对于表观遗传调控、染色质重构以及致癌过程中的基因表达都发挥了重要作用，因此作者首先对HAT1的组蛋白琥珀酰化调节功能进行了探索。研究发现，敲除HAT1能显著降低H3琥珀酰化修饰水平，且在不同细胞系中都有类似效果（Figure 3）。为了进一步验证HAT1是否能从琥珀酰辅酶A直接转移琥珀酰基团到H3，作者利用了体外反应体系。结果显示HAT1可介导H3琥珀酰化，而失活的HAT1则失去其功能。若同时在反应体系中加入等量琥珀酰辅酶A和乙酰辅酶A，琥珀酰辅酶A对于HAT1介导的H3乙酰化有极强抑制效果，而乙酰辅酶A对于HAT1介导的H3琥珀酰化只有较弱的干预作用。

图3 HAT1是一个新的组蛋白琥珀酰转移酶

3、HAT1介导H3K122琥珀酰化并参与表观遗传调控

前期组学检测共鉴定到45个组蛋白位点，包含H3K122（已知SIRT7为其eraser）。经过实验发现，HAT1缺失能够显著降低H3K122琥珀酰化和H3K27乙酰化（阳性对照）水平，而回补实验则能够逆转这种降低效应。体外体系反映出，只有活性状态HAT1可以介导H3K122琥珀酰化，而H3（K122R）也不能发生琥珀酰化。为进一步探索H3K122琥珀酰化的功能，作者进行了ChIP-seq实验及关键基因mRNA水平观测，最终发现HAT1缺失通过降低H3K122琥珀酰化修饰水平来抑制CREBBP, BPTF和RPTOR等基因表达（Figure 4）。

图4 HAT1介导H3K122琥珀酰化并参与表观遗传调控

4、HAT1介导的PGAM1琥珀酰化修饰促进肝癌细胞中的糖酵解途径

为探讨HAT1是否能够对非组蛋白起到琥珀酰转移酶的作用，作者对组学数据进行了进一步挖掘。通过KEGG和蛋白互作网络分析，作者发现HAT1敲除影响了7个糖酵解过程关键酶的修饰水平。进一步研究发现，HAT1能够直接与糖酵解关键酶PGAM1互作并催化其赖氨酸79位（K79）的琥珀酰化修饰。HAT1介导的琥珀酰化修饰能够增强其酶活性，进而促进受其直接和间接调节的代谢物质产生。除此之外，通过免疫组化及不同肿瘤细胞中的敲除实验，作者证明HAT1及其介导的琥珀酰化修饰在肿瘤细胞增殖和生长过程中发挥了重要作用（Figure 5）。

图5 HAT1介导的非组蛋白琥珀酰化修饰促进糖酵解及肿瘤生长

小结与展望

本文在CRISPR-cas9系统稳定敲除HAT1的肝癌细胞系中利用琥珀酰化修饰组学研究发现HAT1能够通过介导H3K122的琥珀酰化修饰参与肿瘤关键基因的表观遗传调控和基因表达调节。此外，HAT1能够直接催化糖酵解关键酶PGAM1赖氨酸79位（K79）的琥珀酰化修饰，在体内外增强其酶的活性，进而促进肝癌细胞中的糖酵解作用。HAT1在肝癌组织中呈现高表达，HAT1及其介导的琥珀酰化修饰能够在体内外促进肝癌细胞生长。该研究不仅丰富了蛋白质翻译后修饰尤其琥珀酰化修饰的酶调控体系也证明了HAT1在临床研究中具有重要意义，它所调控的琥珀酰化修饰过程对肝癌细胞的增殖和生长发挥重要作用，为之后的靶向治疗提供了新思路。

作者介绍：

文章通讯作者为南开大学张晓东教授，第一作者为杨光博士。景杰生物共同参与。

特别声明：

该解读由原文第一作者和其他参与作者共同完成。

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参考文献：

1. Zhihong Zhang, et al. 2011. Identification of lysine succinylation as a new post-translational modification. Nature Chemical Biology.

2. Guang Yang, et al. 2021. Histone acetyltransferase 1 is a succinyltransferase for histones and non-histones and promotes tumorigenesis. EMBO reports.

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