醫(yī)學院李海濤團隊揭示五羥色胺活化基因表達的組蛋白修飾會話機制 時間：2021-02-03
2月2日，清華大學醫(yī)學院李海濤課題組攜手普林斯頓大學Tom Muir課題組和西奈山醫(yī)學院Ian Maze課題組于《美國科學院院刊》（PNAS）在線發(fā)表題為“Histone H3Q5 serotonylation stabilizes H3K4 methylation and potentiates its readout”（組蛋白H3Q5五羥色胺化修飾穩(wěn)定H3K4甲基化修飾并強化其識別）的研究論文，報道了組蛋白H3Q5五羥色胺化修飾（H3Q5ser）對于轉(zhuǎn)錄起始標志H3K4三甲基化（H3K4me3）修飾的影響。該研究發(fā)現(xiàn)H3Q5Ser不影響鄰近H3K4me3的酶促產(chǎn)生，可促進H3K4me3下游閱讀器的識別，但抑制了H3K4me3的酶促消除，從而穩(wěn)定H3K4me3修飾并強化其基因活化功能。
五羥色胺，又稱血清素(serotonin)，是一類神經(jīng)遞質(zhì)，對情緒等神經(jīng)生物學事件有重要的調(diào)控作用。五羥色胺廣泛存在于哺乳動物組織中，除中樞神經(jīng)組織外，其主要外周產(chǎn)生部位是胃腸道，約90%合成和分布于腸嗜鉻細胞。Ian Maze課題組曾于2019年在Nature雜志發(fā)表論文，首次報道了H3Q5ser修飾的存在，以及“H3K4me3Q5ser”修飾組合對基因表達和神經(jīng)發(fā)育的影響（Nature，2019，567：535–539）。該工作把五羥色胺這一內(nèi)源生物活性小分子與表觀遺傳修飾調(diào)控聯(lián)系了起來，啟示了營養(yǎng)代謝除為細胞活動提供物質(zhì)、能量和信號之外的“信息”功能。由于H3Q5緊鄰H3K4位點，因此H3Q5ser修飾很可能對H3K4me3修飾的催化和識別產(chǎn)生影響。在本項工作中，研究者詳細探究了H3Q5ser修飾與H3K4me3修飾的交叉會話（crosstalk）機制。
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組蛋白H3Q5ser穩(wěn)定H3K4me3修飾并強化其功能
首先，研究人員利用表面等離子體共振成像（SPRi）技術(shù)，對目前已知的代表性H3K4me3閱讀器（如BPTF，CHD1，DIDO1，ING2，KDM5A，KDM4A，MLL5，PHF13，PHF2，RAG2，SET3，SGF29，SPIN1，TAF3，和ZCWPW1),進行了基于蛋白質(zhì)芯片陣列的互作表征。研究發(fā)現(xiàn)，組蛋白H3Q5ser修飾并不會打破這些下游效應因子對于H3K4me3修飾的識別。其中，對于TAF3的PHD結(jié)構(gòu)域來說，無論K4的甲基化狀態(tài)如何（K4me0,K4me1,K4me2,K4me3），H3Q5ser修飾都可以增強結(jié)合強度，甚至達到9倍。如果將五羥色胺化修飾替換五羥色胺的類似物（如H3Q5(tryptamine),H3Q5(5-methoxytryptamine,H3Q5(7-azatryptamine), H3Q5(6-hydroxytryptamine)），則會不同程度地削弱與TAF3的結(jié)合。這表明組蛋白同TAF3結(jié)合強度的增強是五羥色胺修飾依賴的。
對于H3K4me3修飾因子MLL1甲基轉(zhuǎn)移酶復合物來講，H3Q5ser修飾不會對其活性產(chǎn)生明顯影響。更進一步的酶反應動力學分析發(fā)現(xiàn)，H3Q5ser修飾對于MLL1催化H3K4me0到H3K4me1沒有影響，對于催化H3K4me1到H3K4me2有輕微的抑制作用。因此，總體來講H3Q5ser修飾對于MLL1復合物的酶活沒有產(chǎn)生明顯的影響。
有趣的是，對于H3K4me3的酶促消除而言，由于存在空間位阻效應，H3Q5ser修飾可以完全打破H3K4去甲基化酶KDM5和LSD1的活性。在多肽和重構(gòu)染色質(zhì)水平的實驗都表明H3Q5ser修飾可以使LSD1及KDM5無法催化H3K4me3的去甲基化反應。進一步的重構(gòu)染色質(zhì)水平的酶活實驗表明H3Q5ser修飾影響了KDM5催化結(jié)構(gòu)域的活性而非PHD結(jié)構(gòu)域的結(jié)合能力。值得一提的是，KDM5家族成員通過負調(diào)控增強子與啟動子區(qū)H3K4me3水平，發(fā)揮著轉(zhuǎn)錄抑制分子功能，在腫瘤轉(zhuǎn)錄異質(zhì)性調(diào)控、腫瘤免疫逃逸、腸道微生物組穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)、神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育等過程中發(fā)揮著重要作用。本研究所揭示的H3Q5ser修飾對KDM5的拮抗作用對于進一步理解KDM5去甲基化酶的生理功能與調(diào)控提供了新視角。
組蛋白修飾交叉會話是一類重要的表觀調(diào)控機制，在表觀景觀建立和基因開關(guān)切換等細胞進程中扮演著重要角色，彰顯了表觀調(diào)控的層次性和精密性。李海濤課題組與Josefowicz課題組合作，曾在去年報道組蛋白H3.3S31ph修飾同H3.3K36me3之間的交叉會話（Nature, 2020, 583：852-857）,揭示出H3.3S31ph通過強化H3.3K36me3的轉(zhuǎn)錄延伸功能，實現(xiàn)刺激誘導型基因的快速轉(zhuǎn)錄延伸。在本工作中，研究人員揭示了H3Q5ser對轉(zhuǎn)錄起始標志性修飾H3K4me3的調(diào)制作用，即在H3Q5ser存在情況下，H3K4me3無法被“擦除器”（eraser）有效去除，而H3K4me3“閱讀器”（reader）如TAF3卻可以被更有效的招募，提示H3Q5ser可以通過強化H3K4me3的功能，實現(xiàn)H3K4me3靶基因的轉(zhuǎn)錄起始活化。越來越多的研究表明，類似H3K4me3和H3K36me3等甲基化修飾單獨不足以代表基因的激活表達，通過產(chǎn)生H3Q5ser和H3.3S31ph等鄰近修飾而拮抗負調(diào)控因子的沉默作用，對于完全釋放H3K4me3和H3K36me3修飾的轉(zhuǎn)錄激活功能發(fā)揮著重要正向調(diào)控作用。
清華大學醫(yī)學院李海濤課題組趙帥、張柏超博士和普林斯頓大學Tom Muir課題組Kelly N. Chuh博士為共同第一作者；李海濤教授，Tom Muir教授和Ian Maze副教授為共同通訊作者。清華大學生命學院劉曉蕙、徐寧、薛毅老師對本工作開展做出了重要技術(shù)指導和支持。該課題得到了自然科學基金委和科技部重點研發(fā)計劃的基金支持。
論文鏈接：
https://www.pnas.org/content/pnas/118/6/e2016742118.full.pdf
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