表觀遺傳修飾家族又添新成員組蛋白丁酰化新功能詮釋

　　近年來，芝加哥大學趙英明教授課題組運用高分辨質譜技術發現了多種組蛋白密碼，極大豐富了表觀遺傳修飾調控機制。在剛剛上線的國際知名期刊Molecular Cell上，該課題組又同時報道了三項最新研究成果。其中第一項研究首次發現了一種跟酮體代謝密切相關的表觀遺傳新修飾——組蛋白三羥基丁酰化[1]；第二項研究深入揭示了該課題組先前發現的組蛋白丁酰化在表觀遺傳調控中的新功能[2]；第三項研究與清華大學合作，首次發現了YEATS domain為識別新型賴氨酸巴豆酰化修飾的“閱讀器”。本文對前兩篇研究進行詳細報道[3]。

　　組蛋白密碼蘊含了基因序列和生物個體性狀間的關鍵調控信息。它動態地調節染色質的結構和功能，極大擴展了傳統遺傳密碼的信息含量。組蛋白修飾是表觀遺傳學密碼的重要組成部分，調控著基因表達等眾多與染色質相關的生理進程。表觀遺傳密碼失調與多種疾病，例如腫瘤密切相關。因此，發現新組蛋白密碼并揭示其生物學功能，對深入了解多種疾病的發生、發展和治療有重要意義。

　　近年來趙英明教授課題組通過綜合運用生物質譜和生物化學方法，在國際上率先報道了賴氨酸的丙酰化、丁酰化、琥珀酰化、巴豆酰化、丙二酰化、戊二酰化， 三羥基丁酰化和二羥基異丁酰化共8種新型賴氨酸蛋白修飾通路.趙英明教授課題組率先發現大約350個組蛋白密碼， 超過已知組蛋白密碼其中一半，是目前國際上發現組蛋白密碼最多的研究團隊。極大地拓寬了人們對組蛋白密碼的認識。其中，巴豆酰化成果發表在《Cell》雜志上，并被《Cell》評選為2011年度五大研究亮點之一(https：//benmay.uchicago.edu/news/dr-zhaos-paper-selected-1-5-highlighted-cell)。此外，戊二酰化發表在《Nature Chemical Biology》雜志上，并被《Nature Chemical Biology》選為創刊10年來的39項亮點研究之一 (http：//www.nature.com/nchembio/journal/v11/n6/pdf/nchembio.1815.pdf#page=1&zoom=auto，-211，788).

　　組蛋白三羥基丁酰化：

　　酮體(ketone body)作為一種能源物質在血糖供給不足的時候為心腦等重要臟器提供能量。正常機體在饑餓或者劇烈運動之后，以及在糖尿病酮酸癥病人的血漿中酮體的濃度顯著升高。此外，酮體以及生酮飲食還具有廣泛的生理藥理功能。比如，酮體長期以來被用來治療癲癇癥病人，并且在神經退行性疾病模型的研究中也發揮保護作用。近年來生酮飲食還被應用于治療腫瘤。截至目前，大約有三十余項關于生酮飲食用于包括腫瘤、心血管疾病、神經系統疾病治療的相關臨床實驗 (https：//clinicaltrials.gov)。 在細胞分子水平上，研究表明酮體可以抑制炎癥免疫的發生，并且與腫瘤細胞的干性相關。然而酮體的眾多生物學功能的分子機制尚沒有被研究清楚。

　　該課題組綜合運用高分辨率質譜技術和生化方法鑒定并驗證了一種新的蛋白質翻譯后修飾——三羥基丁酸修飾。此修飾來源于酮體之一，三羥基丁酸，并廣泛存在于細胞的組蛋白賴氨酸上。研究者應用老鼠模型來進一步研究組蛋白三羥基丁酸修飾的生物學功能。在饑餓的情況下，糖類作為能源物質的比重逐漸下降，脂肪動員產生的酮體水平逐漸升高。與此同時，研究者發現老鼠肝臟細胞中的組蛋白賴氨酸三羥基丁酸修飾水平顯著升高，而主要來源于糖類代謝的乙酰化修飾水平并沒有顯著變化。進一步的染色質沉淀實驗和基因表達測序發現伴隨著組蛋白三羥基丁酸修飾的升高，一些跟饑餓生理反應相關的基因的表達被上調，比如氨基酸代謝、脂肪酸代謝、氧化還原的穩態、生物鐘的調控等。該研究結果表明，三羥基丁酸修飾的變化靈敏地反映著體內外環境的變化，尤其是能量代謝的改變。機體能夠通過組蛋白的修飾轉化為對基因轉錄的調控，從而幫助機體快速調整并適應環境帶來的變化。綜上所述，該研究揭示了一種全新的表觀遺傳學通路——組蛋白三羥基丁酰化修飾。該發現揭示了酮體發揮生物學功能的新機制，并且有利于今后對生酮飲食在治療腫瘤和癲癇中的機制研究和對酮體更廣泛生物學功能的認識。

　　該研究由芝加哥大學趙英明教授與中科院上海藥物所李佳研究員、譚敏佳研究員、李靜雅研究員，耶魯大學的楊小勇教授，以及洛克菲勒大學Robert G. Roeder教授等多個課題組共同合作完成。趙英明教授和楊小勇教授是共同通訊作者。

　　未來三羥基丁酰化主要研究方向：

　　（1）糖尿病：正常機體在饑餓或者劇烈運動之后，以及在糖尿病酮酸癥病人的血漿中酮體的濃度顯著升高，三羥丁酰化修飾在糖尿病患者中有沒有顯著性變化？ 是值得進一步探索的。

　　（2）神經系統疾病：酮體長期以來被用來治療癲癇癥病人，并且在神經退行性疾病模型的研究中也發揮保護作用， 那么神經退行性病人中的三羥基丁酰化有沒有發生明顯改變呢？

　　（3）腫瘤：近年來生酮飲食還被應用于治療腫瘤，與腫瘤細胞干性極度相關，因此三羥基丁酰化是不是和腫瘤也有某種聯系， 值得深入研究

　　（4）炎癥：在細胞分子水平上，研究表明酮體可以抑制炎癥免疫的發生。

　　截至目前，大約有三十余項關于生酮飲食用于包括腫瘤、心血管疾病、神經系統疾病治療的相關臨床實驗 (https：//clinicaltrials.gov)。

　　組蛋白丁酰化：

　　精子的形成過程包含了一系列細胞形態以及功能上的變化。在此過程中，表觀遺傳學尤其是組蛋白修飾的動態變化對于基因的程序性表達調控發揮了重要作用。在該項研究中，趙英明教授課題組綜合運用生物化學、高分辨質譜以及高通量測序等方法闡明了該組于2007年發現的表觀遺傳新修飾——組蛋白丁酰化在精子形成過程中發揮的獨特生物學功能。

　　該課題組發現在精子發育分化過程中，轉錄激活的基因不僅跟組蛋白乙酰化相關，還和丁酰化相關。體外酶活性和轉錄實驗表明，此兩種修飾可以被同一種酰化轉移酶催化，并且丁酰化具有和乙酰化類似的促進體外轉錄的活性。組蛋白的乙酰化通過與精子發育過程中重要的調控因子Brdt相結合從而激活基因的轉錄，而研究者發現丁酰化則能與乙酰化互相競爭并阻止Brdt與組蛋白結合。由此，研究者提出了一個組蛋白乙酰化和丁酰化動態交替的模型。在該模型中，染色質因為修飾的緣故保持在一種適合基因轉錄的狀態，因而Brdt所主導的基因可以在不同的修飾中切換開關狀態，循環往復進行高效表達。這一模型不僅僅局限于精子形成過程，因為成體細胞中同樣有Brdt家族的蛋白可能利用相似的機制完成精細的基因調控。

　　組蛋白丁酰化來源于丁酸分子的代謝，丁酸分子長期被視為組蛋白去乙酰化酶抑制劑并被用于多種腫瘤的臨床治療。此外，富含纖維的食物在腸道細菌的作用下會產生大量的短鏈脂肪酸，比如丁酸。有研究表明腸道細菌產生的丁酸對腸上皮細胞有減輕氧化損傷與炎癥，促進腸道蠕動并預防腸道腫瘤的功能。因此，組蛋白丁酰化的發現與功能研究為闡明丁酸分子的多種生理及藥理功能提供了新的視角。

　　該研究由芝加哥大學趙英明教授與法國格勒諾布爾第一大學的Saadi Khochbin教授，以及洛克菲勒大學Robert G. Roeder教授等多個課題組共同合作完成。趙英明教授和Saadi Khochbin教授是共同通訊作者。

　　未來可能研究方向：

　　（1）腫瘤：組蛋白丁酰化來源于丁酸分子的代謝，丁酸分子長期被視為組蛋白去乙酰化酶抑制劑并被用于多種腫瘤的臨床治療，腫瘤中丁酰化水平是否也發生上調值得大家關注；

　　（2）消化系統疾病：此外，富含纖維的食物在腸道細菌的作用下會產生大量的短鏈脂肪酸，比如丁酸；

　　（3）炎癥：有研究表明腸道細菌產生的丁酸對腸上皮細胞有減輕氧化損傷與炎癥，促進腸道蠕動并預防腸道腫瘤的功能。因此，組蛋白丁酰化的發現與功能研究為闡明丁酸分子的多種生理及藥理功能提供了新的視角。