NAR:首次报道组蛋白苯甲酰化阅读器并阐释分子识别机制

来源: 生物360 / 作者: 2020-12-16
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组蛋白修饰携带着关键表观遗传信息,该信息的解码过程往往依赖于 “阅读器”(reader)蛋白对修饰的正确解读。组蛋白苯甲酰化修饰(Kbz)是新近鉴定的一类赖氨酸酰基化修饰类型,其广泛分布于组蛋白的柔性尾巴并调控基因转录 1。

有趣的是,苯甲酸钠(NaBz)作为 Kbz 的上游供体是 FDA 批准的食品防腐剂,普遍存在于酒水饮料、蜜饯、泡菜、酱类、饼干、奶油等各类包装食品中;同时,NaBz 也是治疗急性高血氨的药物,当病人进行高剂量 NaBz 静脉注射时,其血浆内的苯甲酸钠浓度可高达 10 mM 2;另外,不同于其他脂肪族链状酰基化修饰,苯甲酰辅酶 A(benzoyl-CoA)是细胞或者细菌,包括肠道菌群,代谢芳香环化合物所产生的中间产物,提示组蛋白苯甲酰化修饰响应不同的细胞代谢通路 3。组蛋白苯甲酰化修饰是唯一含有芳香环的酰基化修饰类型,其独特的苯环结构赋予了 Kbz 更大的体积和更强的疏水性质。那么,哪些家族蛋白是 Kbz 修饰的阅读器呢?饮食摄入或者细胞代谢产生的 NaBz 信号分子能否沉积于染色质进而发挥特定生物学功能呢?

2020 年 12 月 8 日,清华大学医学院李海涛教授课题组针对这些问题在 Nucleic Acids Research 杂志在线发表最新研究成果:“Histone benzoylation serves as an epigenetic mark for DPF and YEATS family proteins”(组蛋白苯甲酰化是 DPF 和 YEATS 家族蛋白的表观识别记号)。此项工作首先鉴定出 DPF 家族和 YEATS 家族,而非 Bromo 家族成员,是组蛋白苯甲酰化修饰阅读器;随后利用结构生物学手段阐释了 DPF 家族识别 Kbz 的 “疏水封装”(hydrophobic encapsulation) 机制,以及 YEATS 家族识别 Kbz 的 “顶端感触”(tip-sensor) 机制。特别值得一提的是,调控核糖体基因表达的关键表观因子 YEATS2 偏好识别苯甲酰化修饰(比乙酰化强 6 倍,巴豆酰化强 2 倍),提示 YEATS2 的阅读器口袋呈现出朝向苯甲酰化修饰识别的设计与进化 4,5;此外,本研究还发现组蛋白苯甲酰化修饰具有动态诱导属性,细胞及小鼠的组蛋白修饰谱均可正向响应培养液或饮食中苯甲酸盐的添加。

为了探寻组蛋白 Kbz 修饰这一 “表观密码” 的解码因子,科研人员首先对人源三大组蛋白酰基化阅读器家族进行了系统性筛选,确定了 DPF 和 YEATS 结构域是 Kbz 的阅读器。同时,他们还对两大家族蛋白结合 Kbz 的能力进行了家族成员间的横向比较以及修饰间(乙酰化、巴豆酰化、Kbz)的纵向比较。实验结果表明,DPF 家族成员整体展现出 Kcr>Kac~Kbz 的识别特点;YEATS 家族对 Kbz 的识别则存在显著的成员特异性,比如,AF9 对 Kbz 修饰存在最差的识别偏好性(Kcr>Kac>Kbz),而 YEATS2 则对 Kbz 展现出了最佳的偏好识别(Kbz>Kcr>Kac)。

接下来,为了阐释 DPF 和 YEATS 家族成员差异识别 Kbz 的分子机制,研究人员通过晶体结构解析手段分别获得了 MOZDPF,AF9YEATS,YEATS2YEATS 与其对应底物多肽(分别为 H3K14bz,H3K9bz,H3K27bz)的复合物结构。高分辨率结构分析表明,DPF 家族采用抬高多肽主链和调整结合口袋的 “疏水封装” 机制对 Kbz 进行识别;YEATS 家族采用 “顶端感触” 机制实现对 Kbz 修饰选择性识别,即阅读器口袋中临近酰基化修饰顶端的氨基酸差异决定了不同 YEATS 家族蛋白的修饰偏好性。基于结构分析的突变体实验充分证明了上述识别原理。值得注意的是研究人员成功设计出一个功能获得性突变体 MOZ(L242I),其可以更偏好识别 Kbz 修饰(Kbz>Kcr>Kac),为将来的功能研究提供了新工具。

已有研究发现 NaBz 可减少小胶质细胞和星形胶质细胞的炎症反应,上调星形胶质细胞和神经元中神经保护蛋白 DJ-1 的表达,并可诱导结肠癌细胞的凋亡 6-8。另有研究发现 NaBz 刺激可引发斑马鱼的发育缺陷以及类似焦虑等行为的异常,可导致小鼠产生剂量依赖的记忆力衰退现象;另外,一项针对大学生的研究发现,大量摄入富含 NaBz 的饮料后会出现注意力障碍性多动症的症状(ADHD)9-11。虽然这些文章都对 NaBz 带来的下游效应进行了研究和描述,但是它们的分子机理还有待进一步明确。李海涛课题组利用细胞和小鼠饲喂模型发现组蛋白苯甲酰化修饰能够被 NaBz 诱导上调。在接近 0.1% 的食品防腐剂使用浓度(10 mM)水平,培养液中或饮水中添加的 NaBz 可以显著提升细胞或小鼠小肠上皮细胞中的组蛋白苯甲酰化修饰水平,尤其是 H3 和 H2B 核心组蛋白。这些结果为已有 NaBz 功能表型的背后机制研究提供了新线索。

综上所述,李海涛课题组首次系统性鉴定了组蛋白苯甲酰化修饰的阅读器,详尽地阐释了 DPF 和 YEATS 结构域差异识别 Kbz 的分子机制,为进一步解析组蛋白苯甲酰化修饰的生物学功能奠定了理论基础。

此科研成果在清华大学医学院完成。李海涛教授为通讯作者,任祥乐博士为第一作者,医学院博士研究生周洋同学、郝宁同学,以及美国 Van Andel Institute 薛兆玉博士对本研究做出了重要贡献。本工作还得到了 Van Andel Institute 的石晓冰教授、医学院郭晓欢助理教授、李元元副研究员、王大亮副教授的指导与支持。该课题也得到了自然科学基金委和科技部重点研发计划的支持,数据收集得到上海同步辐射光源和清华大学 X-ray 晶体学平台的大力支持与协助。

原文标题:

Histone benzoylation serves as an epigenetic mark for DPF and YEATS family proteins

https://doi.org/10.1093/nar/gkaa1130

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