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莫道不修饰,心随景杰,人比酵母瘦——蛋白质组学揭示2-羟基异丁基化修饰新功能

2017-10-31 17:32:45 管理员 365

景杰编者按:组蛋白的翻译后修饰是表观遗传学的研究热点,近些年来,组蛋白赖氨酸上的新型修饰不断被报道。而这些新型修饰的鉴定主要归功于芝加哥大学赵英明教授课题组,他们陆续报道了八种新型的酰化修饰,极大地扩大人们对组蛋白修饰的认识,开辟了新的研究领域。其中,赵英明教授于2014年在著名期刊Nature Chemical Biology上报道了一种新型的蛋白翻译后修饰--赖氨酸二羟基异丁酰化(Khib),并指出组蛋白H4K8上的Khib对精子细胞的分化起到重要的调控作用。进一步发现H4K8hib在进化过程中高度保守。和乙酰化(Kac)相比, Khib在组蛋白上出现的频率更高,暗示Khib可能发挥更多的表观调控作用。景杰生物作为全球蛋白质及翻译后修饰的领跑者,可以为您提供一整套常规蛋白质组学及修饰组学研究的解决方案,同时还能为您提供高灵敏度的修饰类泛抗体助力您的研究工作。本文中所有关于Khib修饰抗体均来自景杰生物。

关键词:2-羟基异丁酰化修饰(Khib)、葡萄糖稳态、酿酒酵母、高通量修饰组学

研究思路和成果:

8月2日,著名学术期刊PNAS报道,酿酒酵母葡萄糖代谢稳态影响组蛋白H4K8hib的修饰水平。领导该研究的是清华大学戴俊彪教授和北京蛋白质中心钱小红教授,赵英明教授也是合作人员之一。他们发现酿酒酵母在低糖环境中,H4K8hib修饰水平降低,这一体内去修饰过程是由组蛋白去乙酰化酶Rpd3p和Hos3p介导完成。对H4K8hib点突变(K8A)后,发现会导致一系列和碳转运和碳代谢相关的基因表达水平变化,从而增加对氧化应激的敏感性,最终导致缩短了酵母时序寿命(CLS:亲代细胞在培养条件下的生存时间)。除此之外,通过高通量Khib修饰蛋白组筛选发现,和糖酵解/糖异生相关的大部分蛋白均发生了Khib修饰。上述这些研究为我们构建起一个Khib修饰、葡萄糖代谢和CLS的功能调控网络。并且对H4K8hib这一新组蛋白marker的功能和调控有了更深入全面的认识!

研究人员首先通过不同营养条件下观察酿酒酵母中在低糖(碳源缺乏)情况下H4K8hib修饰水平是降低的。推测酵母可能是通过葡萄糖代谢途径对H4K8hib修饰水平进行调节。通过敲除葡萄代谢中起重要作用的催化酶PFK1和FBA1发现,低糖情况下的H4K8hib修饰水平重新加糖处理后无法在这两个突变体里恢复。进一步对潜在的去乙酰化酶HDAC家族逐一筛选,最终确定Rpd3p和Hos3p作为去Khib酶联合调控H4K8hib修饰变化。其中Rpd3是主效调控酶,而Sin3p是这个主效调控酶2个亚基Rpd3L和Rpd3S的核心结构,也是联合调控H4K8hib的关键因子,不可缺失。同时发现对Rpd3p酶催化活性的关键位点(150,151位)进行突变后也会影响到H4K8hib的去除,说明Rpd3p对Khib和ac共享一个修饰催化活性中心 (图 1)。


图1.  酿酒酵母通过糖酵解途径并由Rpd3p / Hos3介导联合负调控H4K8hib修饰水平

在上述基础上,研究人员进一步发现,随着酵母生长到稳定期,这个过程中H4K8hib修饰水平是逐渐降低的,考虑到稳定期氧化应激和酵母时序寿命CLS密切相关,使用H2O2 分别处理WT和H4K8A后发现,突变体对氧化应激更敏感,同时CLS更短,RNA-Seq进一步发现在H4K8A突变体中和葡萄糖转运,海藻糖代谢以及糖异生相关的基因表达收到抑制,而和脂肪酸β氧化,氨基酸脱氨作用相关的酶显著上调,这些变化提供了很多中间产物,从而增加了糖酵解和TCA循环的活动,提高酵母供能。这个也说明酵母在低糖情况下,通过糖酵解途径,由Rpd3p和Hos3p联合去除H4K8hib修饰,引起一系列增加代谢中间产物的调控,同时缩短CLS,以确保能量供应应对营养缺乏情况 (图 2)。


图 2.  H4K8hib引起酿酒酵母CLS缩短和显著调控糖代谢系列途径

H4K8hib修饰和葡萄代谢具有上述的表观层面调控关系, 研究人员由一个点扩开,从全蛋白组学研究Khib和葡萄糖代谢的相关性。通过对野生型酿酒酵母进行全蛋白Khib修饰富集(景杰独家优势),一共鉴定到1,458Khib位点和369修饰蛋白。这些Khib修饰蛋白在核糖体和糖酵解/糖异生途径中显著富集,氨酰-tRNA途径和部分氨基酸代谢途径也有富集,表面Khib这种修饰可能同时参与到碳代谢和氮代谢功能调控。同时对低糖处理(0.2%glu)和高糖处理(2%glu)进行silac定量Khib修饰组学研究发现,基本涉及到糖酵解通路上所有的酶都发生了Khib修饰,并且在处理前后和糖代谢相关的蛋白Khib修饰水平发生显著的差异表达

不同修饰之间大多存在crosstalk,通过对比酿酒酵母已发表的乙酰化组,琥珀酰化组数据,和本次Khib组学分析发现,一共206个蛋白同时具有这3种修饰。KEGG通路分析发现,这206个蛋白同样均是和糖酵解/糖异生密切相关的蛋白。进一步确认这3种酰化修饰和葡萄糖代谢的高度相关性 (图 3)。


图3. 酵母2-羟基异丁酰化定性/定量全谱和生物信息分析

总结:本文主要是通过使用酿酒酵母这一真核模式生物,对Khib在单细胞里面的调控机制做了深入研究,研究结果具有普遍意义。亮点在于首次在体内找到了Khib这个修饰的eraser去修饰酶 Rpd3p和Hos3p,并揭示其通过糖代谢进行H4K8hib表观位点的调控,从而引起CLS的缩短,最后通过Khib修饰组学将研究范围推到组学层面斤进行探讨。为我们提供了一套非常好的修饰组学+修饰分子机制的研究方法。接下来的工作是寻找Khib的修饰转移酶writer和阅读器reader,以及它们参与的调控机制。此外除H4K8hib外,还有很多其他位点Khib修饰的生物学意义值得我们研究。

当然,酵母饿了知道自己改变自己的修饰水平,从而调节自己适应外界营养缺乏的环境, 时间长了会因为营养缺乏缩短生命周期。其实人也是一样,人饿了说不定Khib也变化了(反之,肥胖的人是否也是如此?), 下次不吃早饭的,正在努力减肥的的人可以考虑送点样品过来测测自己的Khib修饰水平,看看哪些pathway里面的Khib变化了~

参考文献:

1、Jing Huang, et al. (2017). 2-Hydroxyisobutyrylation on histone H4K8 is regulated by glucose homeostasis in Saccharomyces cerevisiae. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, published ahead of print.

2、Lunzhi Dai, et al. (2014). Lysine 2-hydroxyisobutyrylation is a widely distributed active histone mark, Nat. Chem. Biol. 10, 365-370.

景杰生物通过整合以组学为导向(包括基因蛋白质组学和组蛋白密码组学)的生物标志物发现、以生物标志物为导向的药物研发、以高质量抗体为基础的诊断试剂盒开发这三个环节,逐步构建起“疾病精准分层”、“精准药物研发”、“疾病精准诊断” 三位一体的精准医疗产业化发展的运作链条,从而为精准医疗产业化开创出一片广阔前景, 并开辟出一条可行路径。




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