Circulation | 中国医科院基础所刘德培/陈厚早团队首次发现组蛋白巴豆酰化调控心肌功能

2021-03-10 16:52:16, 景杰学术杭州景杰生物科技股份有限公司

景杰学术 | 报道

继2011年芝加哥大学赵英明教授课题组首次在Cell报道赖氨酸巴豆酰化修饰 (lysine crotonylation) 的发现及其在生殖调控的关键作用后 [1]，这一与代谢密切相关的、进化上高度保守的蛋白质翻译后修饰类型便吸引了诸多国内外科学家的研究兴趣。随着近10年，巴豆酰化修饰writer (P300/CBP、PCAF等)，reader (AF9 YEATS结构域)，eraser (HDAC1-3等) 以及巴豆酰辅酶A (crotonyl-CoA) 水和酶CDYL的陆续揭示，科学界对巴豆酰化修饰的生物学功能也有了更加清晰的认识。如今，越来越多的研究已证明，巴豆酰化修饰在临床医学、植物学、微生物学等多个生命科学研究领域内的多种生理、病理调控过程中都发挥着举足轻重的作用。

短链烯脂酰辅酶A水合酶 (short-chain enoyl-CoA hydratase, ECHS1) 也被称为巴豆酸酶 (crotonase)，是线粒体基质内脂肪酸β-氧化途径的关键酶，催化α, β-不饱和硫酯底物的水合反应，其中活性最高的底物是crotonyl-CoA。因此，理论上ECHS1可能也是影响巴豆酰化修饰的关键分子。值得注意的是，ECHS1基因变异通常会引起一种罕见的常染色体隐性遗传疾病，临床表现包括智力减退、肌张力障碍、癫痫、高乳酸血症以及大脑功能异常。而在部分新生儿或儿童中，ECHS1基因突变还会导致肥厚型心肌病 (hypertrophic cardiomyopathy, HCM) 的发生，但目前发病机制不详，这些疾病中又是否会伴随着巴豆酰化修饰的改变也仍是未知。

2021年3月9日，中国医学科学院基础医学研究所刘德培院士、陈厚早教授等人在心血管领域国际顶级杂志Circulation (IF=23.6) 上发表题为 “Short-Chain Enoyl-CoA Hydratase Mediates Histone Crotonylation and Contributes to Cardiac Homeostasis” 的研究快报 [2]，其中唐小强博士、陈小凤博士、孙鑫博士生为本文的共同第一作者。他们首次发现ECHS1的功能缺失上调了组蛋白巴豆酰化修饰水平，促进了心肌肥厚相关基因的表达，最终导致HCM的发生。景杰生物为该研究提供了特异性巴豆酰化抗体。

研究人员首先观察到，在人HCM中，心脏ECHS1的表达量明显降低 (图1B) 且组蛋白H3K18、H2BK12的巴豆酰化修饰水平明显增强 (图1C)，提示ECHS1和组蛋白巴豆酰化修饰有可能参与了HCM的发病过程。此外，与WT小鼠相比，Echs1 mRNA含量在Echs1 (+/-) 小鼠心脏中下降约50% (图1D)，并且在注射血管紧张素II (Ang II) 后，Echs1 (+/-) 出现了更严重的心肌肥厚表型 (图1E)。随后，研究人员在乳鼠心肌细胞 (neonatal rat cardiomyocytes, NRCMs) 中利用siRNA敲低Echs1，导致Ang II 诱导NRCMs肥厚的功能增强 (图1F)。相反地，NRCMs中过表达ECHS1则抑制了Ang II的致心肌肥厚作用 (图1F)，这一现象同时在过表达ECHS1的小鼠模型中得到了进一步的验证，表明ECHS1抑制心肌肥厚。

图1 ECHS1通过组蛋白巴豆酰化修饰调控心肌功能

考虑到在人HCM中观察到的组蛋白H3K18、H2BK12巴豆酰化修饰水平增强，研究人员猜测ECHS1可以改变crotonyl-CoA含量以调控组蛋白巴豆酰化修饰水平，继而影响心肌肥厚相关基因表达，改变心肌功能。研究人员发现，小鼠心脏过表达ECHS1显著降低了H3K18、H2BK12巴豆酰化修饰水平 (图1I)。而在NRCMs中，添加巴豆酸则可以促进H3K18、H2BK12的巴豆酰化修饰 (图1J) 和心肌细胞的生长 (图1K)，这一促进作用在siEchs1组中明显增强 (图1J和K)。证明了ECHS1对蛋白质巴豆酰化修饰的抑制作用。分子机制上，ECHS1的功能缺失导致了转录因子NFATc3 (图1M) 以及心肌肥厚相关基因Nppb表达增强 (图1L)，有意思的是，NFATc3也被报道可以促进Nppb表达。最后，在NRCMs中，研究人员也观察到siEchs1和巴豆酸都能促进Nppb的表达 (图1M)。这些结果共同证明，ECHS1的确通过组蛋白巴豆酰化修饰抑制心肌肥厚。

总的来说，本研究首次发现巴豆酰化修饰介导了ECHS1抑制心肌肥厚的作用，不仅进一步填补了我们对巴豆酰化生物学调控机制的认识缺口，也提示组蛋白巴豆酰化修饰位点 (H3K18cr、H2BK12cr) 可能会成为治疗ECHS1功能缺失相关心肌肥厚的潜在特异性靶点，这为治疗ECHS1基因变异引起的遗传疾病带来了新的希望。