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Mol Cell:新研究揭示组蛋白巴豆酰化/乙酰化修饰拮抗调控代谢稳态与基因表达

发布时间: 2020-02-28
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为了确保高效的生长和生存,细胞必须感知到多样化的营养环境,并相应地迅速调整它们的代谢状态。实现这一目标的方式之一是使基因表达与代谢环境同步组蛋白修饰为此提供了一种理想的机制,因为组蛋白修饰的变化是快速可逆的,并且依赖于代谢中间产物作为修饰的辅助因子。了解代谢环境、染色质和基因表达之间的关系,揭示代谢稳态的一般原则具有非常重要的意义。

近年来,质谱技术的发展促使发现了一些新的组蛋白修饰,其中相当一部分是发生于赖氨酸上的短链酰基化反应(例如巴豆酰化、琥珀酰化、2-羟基异丁酰化、苯甲酰化和乳酸化等),极大地扩展了组蛋白密码的潜在复杂性。巴豆酰化是2011年由赵英明教授发现的一种新型酰化修饰,该修饰在低等生物(如酵母)和高等生物(如灵长类)中均广泛存在,暗示巴豆酰化作用保守且重要。有研究表明在高等动植物中其与活跃的染色质区域相关,能够促进基因的转录。

Mol Cell:新研究揭示组蛋白巴豆酰化/乙酰化修饰拮抗调控代谢稳态与基因表达

图1、脂肪酸β氧化过程产生酰基辅酶A(紫色字体为巴豆酰辅酶A)

近日,国际著名期刊Molecular Cell刊登了由斯坦福大学Ashby Morrison教授团队以及北卡罗莱纳大学Brian D. Strahl教授团队合作完成的一项研究,揭示了组蛋白巴豆酰化修饰在代谢状态和基因转录之间的重要调控作用。该研究以高度同步的酵母代谢周期(yeast metabolic cycle,YMC)为研究基础,发现脂肪酸β氧化基因的周期性表达与β氧化的副产物——组蛋白巴豆酰化(Crotonylation)水平发生同步变化。

Mol Cell:新研究揭示组蛋白巴豆酰化/乙酰化修饰拮抗调控代谢稳态与基因表达

具体来说,当营养受限时,H3K9乙酰化水平下降,H3K9巴豆酰化水平升高,抑制促生长基因的表达。含有YEATS结构域的Taf14 蛋白是识别H3K9巴豆酰化的阅读器(reader),是实现上述抑制过程所必需。外源添加巴豆酸会导致组蛋白巴豆酰化增加,组成型抑制促生长基因的表达,并破坏YMC的周期性波动。

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Graphical Abstract

酵母代谢周期(YMC)为研究代谢、染色质修饰和基因转录之间的关系提供了一个强大的体系。YMC发生在低葡萄糖的条件下,因此能模拟野外遇到的低碳环境。YMC的一个主要特征是呼吸周期,包括低耗氧和高耗氧两个阶段,有一多半的转录本、代谢中间产物以及组蛋白翻译后修饰水平呈现出周期性变化。许多代谢调节因子的破坏能够扰乱YMC,导致代谢和基因表达之间的脱节。

在酵母中,巴豆酰辅酶A主要在能量限制或低耗氧阶段,通过过氧化物酶体脂肪酸氧化途径产生(图1);而乙酰辅酶A主要在高能利用和高耗氧阶段,通过氧化磷酸化途径产生。因此,导致组蛋白乙酰化和巴豆酰化积累的分子途径和细胞环境可能是不同的,它们对基因表达的调控也可能存在差异。有鉴于此,作者以YMC系统为基础,深入研究了两种组蛋白密码在联结代谢状态和关键基因表达之间的重要作用,揭示出Taf14和H3K9巴豆酰化能够抑制促生长基因转录,是维持正常YMC周期性波动的关键因素。

1、组蛋白巴豆酰化动态调节整个YMC和调节代谢循环

研究发现,H3K9乙酰化在YMC上表现出动态的变化,并在高耗氧阶段达到巅峰,此时乙酰辅酶A水平也较高(图2A)。H3K9的巴豆酰化也在YMC上表现出动态的变化,但时间上与乙酰化不同步——巴豆酰在高耗氧过渡到低耗氧阶段,也即在β氧化发生时达到巅峰。

参与脂肪酸氧化和酰基辅酶A代谢的关键酶的转录与H3K9 巴豆酰化的分布也密切相关(图2B)。其中ACS1转录水平的增加与组蛋白巴豆酰化的增加相一致。ACS1是哺乳动物ACSS2的同源基因,而目前已知在加入外源性巴豆酸后,ACSS2能够促进人类细胞中组蛋白巴豆酰化的产生。因此在酵母中ACS1可能通过促进巴豆酰辅酶A的合成从而促进组蛋白巴豆酰化。

POX1和ECI1对巴豆酰辅酶A的生成至关重要(图1)。删除POX1或ECI1会导致YMC的周期出现严重缺陷,循环逐渐加快并最终停止(图2C)。值得注意的是,这些突变体中H3K9的巴豆酰化水平大大降低,而乙酰化水平一直维持在较高丰度(图2D),暗示脂肪酸氧化产生的H3K9 巴豆酰化可能在维持YMC周期波动中发挥着重要作用。

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图2、组蛋白巴豆酰化受脂肪酸代谢调节,并在整个YMC呈现动态变化

2、组蛋白巴豆酰化和乙酰化与高表达代谢基因相关

考虑到Pox1和Eci1在YMC系统和H3K9 巴豆酰化水平上的重要性,作者接下来试图确定H3K9 巴豆酰化达到巅峰时主要位于基因组的哪个位置。通过对时间点3和4(图3A)的H3K9巴豆酰化和乙酰化的染色质免疫共沉淀测序(ChIP-seq),作者发现H3K9乙酰化和巴豆酰化在转录起始位点(TSSs)和转录终止位点(TTSs)上富集,并且在高耗氧向低耗氧过渡期间,与YMC基因表达呈正相关(图3B)。其中与促生长密切相关的基因,如核糖体生物发生和翻译相关的基因,周期性受H3K9巴豆酰化和乙酰化的协同调控(图3C和3D)。

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图3、组蛋白巴豆酰化和乙酰化调节YMC基因的周期性表达

Taf14的YEATS结构域精确调控YMC进程和代谢基因的转录

Taf14的YEATS结构域是H3K9酰基化的主要阅读器,特别偏好H3K9巴豆酰化。为了确定Taf14对H3K9 巴豆酰化的识别是否可能影响YMC功能,作者在Taf14 YEATS结构域中设计了一个点突变(W81A),该突变可以消除其与所有形式的组蛋白酰基化的结合。通过一系列ChIP-seq和RNA-seq的分析证实,Taf14读取H3K9酰基化的能力对于正确调节YMC非常重要。当氧消耗和能量生产耗尽时(以及H3K9巴豆酰化水平较高时),Taf14与H3K9巴豆酰化的相互作用对于高耗氧基因的适当抑制是非常重要的。

组蛋白巴豆酰化水平升高会改变YMC并抑制促生长基因的表达

巴豆酸能够被代谢成巴豆酰辅酶A并用于组蛋白巴豆酰化,因此作者通过向YMC培养基中逐渐增加巴豆酸来控制H3K9巴豆酰化的水平,来进一步研究组蛋白巴豆酰化对YMC基因表达的影响。结果发现巴豆酸的加入导致YMC周期长度的急剧下降,而等摩尔乙酸钠的加入导致YMC周期下降相对缓慢(图4A)。伴随着组蛋白巴豆酰化增加,高耗氧基因如核糖体基因的表达发生显著下调(图4B)。而这些核糖体基因相比于低耗氧基因和非循环基因,在从高耗氧向低耗氧过渡期间,具有更高的组蛋白巴豆酰化与乙酰化的比率。上述结果进一步支持了高耗氧阶段相关基因的表达受组蛋白巴豆酰化负调控。

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图4、组蛋白巴豆酰化增加改变YMC和减少核糖体基因表达

本研究利用酵母YMC模型,将代谢状态、组蛋白巴豆酰化和转录调节等三个方面有效联系起来(图5)。研究表明组蛋白巴豆酰化(1)在整个YMC过程受到动态调节,(2)时间表达模式与乙酰化不同,(3)对脂肪酸氧化途径的干扰较为敏感,(4)对下游基因的转录调控,依赖于Taf14 蛋白的YEATS结构域,以及(5)对促生长基因的负调控。这些研究还表明,短链酰化(如巴豆酰化),在功能上不同于乙酰化,有助于从高能代谢状态(即高耗氧)向低能状态(即低耗氧)的转变。

Mol Cell:新研究揭示组蛋白巴豆酰化/乙酰化修饰拮抗调控代谢稳态与基因表达

图5、Taf14和组蛋白巴豆酰化调节代谢基因表达的模型

参考文献

Gowans, G. J., et al., (2019). Recognition of Histone Crotonylation by Taf14 Links Metabolic State to Gene Expression. Molecular cell.

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