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Face/Off---KAT2A一饰两角,在乙酰转移酶和琥珀酰转移酶间切换

2017-12-11 17:41:17 admin 1669

景杰编者按:自芝加哥大学赵英明教授开创性地发现八种新型赖氨酸酰化修饰(丙酰化、丙二酰化、丁酰化、琥珀酰化、巴豆酰化、2-羟基丁酰化、3-羟基丁酰化、戊二酰化等)和相应地鉴定出四百多个组蛋白赖氨酸修饰表观遗传密码以来,赖氨酸修饰已成为整个蛋白质修饰研究的中心事件,逐渐构建出“酰化生物学 (Lysine Acylation Biology)“的框架图。其中赖氨酸琥珀酰化修饰是赵英明课题组2010年在Nature Chem Biol 首次报道的一种新型蛋白质修饰类型,并在后继相报道了组蛋白琥珀酰化与去琥珀酰化催化酶Sirt5和Sirt7。随着赵英明教授的开创性工作,有关琥珀酰化修饰在代谢稳态、表观调控、肿瘤发生、心血管疾病等领域涌现出一批创新性的研究成果,构成了近年来蛋白质修饰研究最绚丽的一道风景!然后,琥珀酰化修饰特异性催化酶的鉴定一直迟迟未能取得进展,从而极大地限制了该修饰的深入功能与机制研究。近日,国际权威期刊Nature发表了琥珀酰化修饰特异性催化酶鉴定的突破性成果,首次报道了KAT2A(GNAT家族组蛋白乙酰转移酶)和酮戊二酸脱氢酶复合体α-KGDH(催化琥珀酰辅酶A合成)结合,在细胞核内形成复合体,行使其高特异性的琥珀酰转移酶的活性。利用景杰生物独家开发的琥珀酰化修饰泛抗体和组蛋白位点特异性琥珀酰化抗体,研究人员发现KAT2A-KGDH复合体可以提高组蛋白H3K79的琥珀酰化水平,影响基因的表达调控,最终促进肿瘤的生长(1)。上述研究由美国和中国的研究人员合作完成,来自美国安德森癌症中心吕志民、Rice大学陶怡芝、和清华大学邢东明教授为文章共同通讯作者。本文再次将琥珀酰化修饰与代谢、表观遗传调控、癌症发生联系起来,提示出琥珀酰化修饰在疾病发生中的巨大作用。景杰生物作为全球蛋白质修饰抗体开发和蛋白质组学技术的开拓者与领跑者, 通过和全球科研人员的深度合作,在蛋白质修饰组学研究领域不断推陈出现,极大地推动了相关研究的进展。景杰生物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,还可以为您寻找KAT2A等酰基转移酶的底物,助力您的研究工作。


关键词:

琥珀酰化、KAT2A、KGDH、琥珀酰转移酶、表观遗传学、癌症


研究思路与结果

许多中心代谢中的酶,如丙酮酸激酶M2、丙酮酸脱氢酶复合体,除了定位于胞质,还定位于细胞核中,参与表观遗传调控。还有些代谢酶,如参与琥珀酰辅酶A合成的关键酶--酮戊二酸脱氢酶复合体(α-KGDH),最为人熟知的是在细胞器,如线粒体中的三羧酸循环参与合成琥珀酰辅酶A的功能 (图 1)。


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图1. 酮戊二酸脱氢酶复合体(α-KGDH)催化琥珀酰辅酶A合成。其三个亚基OGDH,DLST,DLD分别催化α-酮戊二酸脱羧、琥珀酰辅酶A的生成以及所需辅酶的再生。


然而蛋白质质谱结果发现KGDH复合体也和GNAT类乙酰转移酶KAT2A结合,那么这种结合是否会对表观遗传调控进行调控?首先通过免疫沉淀实验证实KAT2A的确和KGDH复合体在核内结合,同时证明OGDH亚基参与结合(图 2),随后证明DLST亚基的核定位信号对KGDH的核定位非常关键。


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图2. KAT2A的确和KGDH复合体在核内结合。



随后的体外实验表明KAT2A具有组蛋白琥珀酰转移酶的活性,通过解析KAT2A催化domain和琥珀酰辅酶A的复合体晶体结构,发现和KAT2A的loop3决定了其识别底物的特异性(图 3)。接下来突变实验发现Tyr645对KAT2A的琥珀酰转移酶活性至关重要。


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图3. KAT2A具有组蛋白琥珀酰转移酶活性。左图,体外实验表明KAT2A具有组蛋白H3琥珀酰转移酶活性;右图,KAT2A的loop3决定了其对底物识别的特异性,尤其是Y645残基。


接下来利用蛋白质质谱鉴定组蛋白琥珀酰化修饰位点,结果发现H3K79发生琥珀酰化修饰(图4)。利用ChIP-seq分析H3K79succ、KAT2A和KGDH在染色质上的分布,发现很多都是发生在转录起始位点,暗示其参与基因的表达调控。接下来验证也发现一些信号通路基因如PIK3R1、转录因子JUN基因的激活和H3K79琥珀酰化有关(图 5)。


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图4. H3K79发送琥珀酰化修饰的蛋白质质谱图。



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图5. KAT2A-KGDH复合体调节H3K79琥珀酰化修饰并影响基因表达。


最后研究人员发现将功能失活突变体转入神经胶质瘤细胞中后,肿瘤细胞的生长受到抑制(图 6),提示代谢、表观遗传学和肿瘤间的关系,也为癌症的治疗提供新的思路。


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总结:本文揭示了组蛋白酰化修饰调控的重大进展:发现酰基转移酶和酰基辅酶A结合,调控组蛋白的酰化修饰。将基础代谢、表观遗传修饰和癌症联系起来,无论是在理论还是实践上都有重要的意义。前不久,景杰生物与北京大学医学部的尚永丰院士合作(2),在Molecular Cell上发表组蛋白巴豆酰化修饰的研究成果,该研究揭示了CDYL(chromodomain Y-like transcription corepressor )作为水合酶,催化crotonyl CoA的代谢而抑制组蛋白巴豆酰化水平, 揭示了一种全新的蛋白酰化修饰的新机制,也是将代谢和表观遗传修饰联系在一起。我们相信随着研究的深入,会有越来越多的组蛋白酰化修饰、调控及其生物学意义的报道会涌现。



参考文献

1. Yugang Wang, et al. (2017) KAT2A coupled with the α-KGDH complex acts as a histone H3 succinyltransferase. Nature.

2. Shumeng Liu, et al. (2017) Chromodomain protein CDYL acts as a crotonyl-CoA hydratase to regulate histone crotonylation and spermatogenesis. Molecular Cell 67(5):853-866.




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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