2022开门红 | 芝加哥大学赵英明教授团队报道新型修饰——组蛋白赖氨酸甲基丙烯酰化

2022-01-22 22:45:32, 景杰生物杭州景杰生物科技股份有限公司

景杰生物 | 报道

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。

赖氨酸甲基丙烯酰化的发现和验证

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。

赖氨酸甲基丙烯酰化的鉴定和验证

抗体定制与免疫化学验证 Kmea

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）。

抗体定制与免疫化学验证 Kmea

甲基丙烯酸酯是组蛋白 Kmea的代谢前体

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）。

甲基丙烯酸酯是组蛋白 Kmea 的代谢前体

组蛋白 Kmea 位点鉴定

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。

HeLa组蛋白上已鉴定的Kmea和Kcr图谱

Kmea 的Writer与Eraser鉴定

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。

HAT1和SIRT2调控 Kmea

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。

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参考文献

1. Minjia Tan, et al. 2011. Identification of 67 histone marks and histone lysine crotonylation as a new type of histone modification. Cell.

2. Kyle Delaney, et al., 2021, Histone lysine methacrylation is a dynamic posttranslational modification regulated by HAT1 and SIRT2. Cell Discovery.

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