李海濤組首次報(bào)道組蛋白苯甲酰化閱讀器并闡釋分子識(shí)別機(jī)制 時(shí)間：2020-12-15
組蛋白修飾攜帶著關(guān)鍵表觀遺傳信息，該信息的解碼過(guò)程往往依賴于“閱讀器”（reader）蛋白對(duì)修飾的正確解讀。組蛋白苯甲?；揎棧↘bz）是新近鑒定的一類賴氨酸酰基化修飾類型，其廣泛分布于組蛋白的柔性尾巴并調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄1。
有趣的是，苯甲酸鈉（NaBz）作為Kbz的上游供體是FDA批準(zhǔn)的食品防腐劑，普遍存在于酒水飲料、蜜餞、泡菜、醬類、餅干、奶油等各類包裝食品中；同時(shí)，NaBz也是治療急性高血氨的藥物，當(dāng)病人進(jìn)行高劑量NaBz靜脈注射時(shí)，其血漿內(nèi)的苯甲酸鈉濃度可高達(dá)10 mM 2；另外，不同于其他脂肪族鏈狀?；揎?，苯甲酰輔酶A（benzoyl-CoA）是細(xì)胞或者細(xì)菌，包括腸道菌群，代謝芳香環(huán)化合物所產(chǎn)生的中間產(chǎn)物，提示組蛋白苯甲酰化修飾響應(yīng)不同的細(xì)胞代謝通路3。組蛋白苯甲?；揎検俏ㄒ缓蟹枷悱h(huán)的?；揎楊愋?，其獨(dú)特的苯環(huán)結(jié)構(gòu)賦予了Kbz更大的體積和更強(qiáng)的疏水性質(zhì)。那么，哪些家族蛋白是Kbz修飾的閱讀器呢？飲食攝入或者細(xì)胞代謝產(chǎn)生的NaBz信號(hào)分子能否沉積于染色質(zhì)進(jìn)而發(fā)揮特定生物學(xué)功能呢？
2020年12月8日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院李海濤教授課題組針對(duì)這些問(wèn)題在Nucleic Acids Research雜志在線發(fā)表最新研究成果：“Histone benzoylation serves as an epigenetic mark for DPF and YEATS family proteins”（組蛋白苯甲?；荄PF和YEATS家族蛋白的表觀識(shí)別記號(hào)）。此項(xiàng)工作首先鑒定出DPF家族和YEATS家族，而非Bromo家族成員，是組蛋白苯甲?；揎楅喿x器；隨后利用結(jié)構(gòu)生物學(xué)手段闡釋了 DPF家族識(shí)別Kbz的“疏水封裝”(hydrophobic encapsulation)機(jī)制，以及YEATS家族識(shí)別Kbz的“頂端感觸”（tip-sensor） 機(jī)制。特別值得一提的是，調(diào)控核糖體基因表達(dá)的關(guān)鍵表觀因子YEATS2偏好識(shí)別苯甲?；揎棧ū纫阴；瘡?qiáng)6倍，巴豆?；瘡?qiáng)2倍），提示YEATS2的閱讀器口袋呈現(xiàn)出朝向苯甲?；揎椬R(shí)別的設(shè)計(jì)與進(jìn)化4,5；此外，本研究還發(fā)現(xiàn)組蛋白苯甲酰化修飾具有動(dòng)態(tài)誘導(dǎo)屬性，細(xì)胞及小鼠的組蛋白修飾譜均可正向響應(yīng)培養(yǎng)液或飲食中苯甲酸鹽的添加。
為了探尋組蛋白Kbz修飾這一“表觀密碼”的解碼因子，科研人員首先對(duì)人源三大組蛋白酰基化閱讀器家族進(jìn)行了系統(tǒng)性篩選，確定了DPF和YEATS結(jié)構(gòu)域是Kbz的閱讀器。同時(shí)，他們還對(duì)兩大家族蛋白結(jié)合Kbz的能力進(jìn)行了家族成員間的橫向比較以及修飾間（乙?；投辊；bz）的縱向比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，DPF家族成員整體展現(xiàn)出Kcr>Kac~Kbz的識(shí)別特點(diǎn)；YEATS家族對(duì)Kbz的識(shí)別則存在顯著的成員特異性，比如，AF9對(duì)Kbz修飾存在最差的識(shí)別偏好性（Kcr>Kac>Kbz），而YEATS2則對(duì)Kbz展現(xiàn)出了最佳的偏好識(shí)別（Kbz>Kcr>Kac）。
接下來(lái)，為了闡釋DPF和YEATS家族成員差異識(shí)別Kbz的分子機(jī)制，研究人員通過(guò)晶體結(jié)構(gòu)解析手段分別獲得了MOZDPF，AF9YEATS，YEATS2YEATS與其對(duì)應(yīng)底物多肽（分別為H3K14bz，H3K9bz，H3K27bz）的復(fù)合物結(jié)構(gòu)。高分辨率結(jié)構(gòu)分析表明，DPF家族采用抬高多肽主鏈和調(diào)整結(jié)合口袋的“疏水封裝”機(jī)制對(duì)Kbz進(jìn)行識(shí)別；YEATS家族采用“頂端感觸” 機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)Kbz修飾選擇性識(shí)別，即閱讀器口袋中臨近?；揎楉敹说陌被岵町悰Q定了不同YEATS家族蛋白的修飾偏好性?；诮Y(jié)構(gòu)分析的突變體實(shí)驗(yàn)充分證明了上述識(shí)別原理。值得注意的是研究人員成功設(shè)計(jì)出一個(gè)功能獲得性突變體MOZ（L242I），其可以更偏好識(shí)別Kbz修飾（Kbz>Kcr>Kac），為將來(lái)的功能研究提供了新工具。
已有研究發(fā)現(xiàn)NaBz可減少小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞的炎癥反應(yīng)，上調(diào)星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元中神經(jīng)保護(hù)蛋白DJ-1的表達(dá)，并可誘導(dǎo)結(jié)腸癌細(xì)胞的凋亡6-8。另有研究發(fā)現(xiàn)NaBz刺激可引發(fā)斑馬魚的發(fā)育缺陷以及類似焦慮等行為的異常，可導(dǎo)致小鼠產(chǎn)生劑量依賴的記憶力衰退現(xiàn)象；另外，一項(xiàng)針對(duì)大學(xué)生的研究發(fā)現(xiàn)，大量攝入富含NaBz的飲料后會(huì)出現(xiàn)注意力障礙性多動(dòng)癥的癥狀（ADHD）9-11。雖然這些文章都對(duì)NaBz帶來(lái)的下游效應(yīng)進(jìn)行了研究和描述，但是它們的分子機(jī)理還有待進(jìn)一步明確。李海濤課題組利用細(xì)胞和小鼠飼喂模型發(fā)現(xiàn)組蛋白苯甲?；揎椖軌虮籒aBz誘導(dǎo)上調(diào)。在接近0.1%的食品防腐劑使用濃度（10 mM）水平，培養(yǎng)液中或飲水中添加的NaBz可以顯著提升細(xì)胞或小鼠小腸上皮細(xì)胞中的組蛋白苯甲?；揎椝剑绕涫荋3和H2B核心組蛋白。這些結(jié)果為已有NaBz功能表型的背后機(jī)制研究提供了新線索。
綜上所述，李海濤課題組首次系統(tǒng)性鑒定了組蛋白苯甲?；揎椀拈喿x器，詳盡地闡釋了DPF和YEATS結(jié)構(gòu)域差異識(shí)別Kbz的分子機(jī)制，為進(jìn)一步解析組蛋白苯甲?；揎椀纳飳W(xué)功能奠定了理論基礎(chǔ)。
DPF/YEATS家族識(shí)別誘導(dǎo)性組蛋白苯甲?；揎椊閷?dǎo)基因表達(dá)
此科研成果在清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院完成。李海濤教授為通訊作者，任祥樂(lè)博士為第一作者，醫(yī)學(xué)院博士研究生周洋同學(xué)、郝寧同學(xué)，以及美國(guó)Van Andel Institute（文安德研究所）薛兆玉博士對(duì)本研究做出了重要貢獻(xiàn)。本工作還得到了Van Andel Institute（文安德研究所）的石曉冰教授、醫(yī)學(xué)院郭曉歡助理教授、李元元副研究員、王大亮副教授的指導(dǎo)與支持。該課題也得到了自然科學(xué)基金委和科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持，數(shù)據(jù)收集得到上海同步輻射光源和清華大學(xué)X-ray晶體學(xué)平臺(tái)的大力支持與協(xié)助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1093/nar/gkaa1130
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