【重大发现】表观遗传修饰家族又添新成员 & 组蛋白丁酰化新功能诠释
1. 组蛋白三羟基丁酰化
酮体(ketone body)作为一种能源物质在血糖供给不足的时候为心脑等重要脏器提供能量。正常机体在饥饿或者剧烈运动之后，以及在糖尿病酮酸症病人的血浆中酮体的浓度显著升高。此外，酮体以及生酮饮食还具有广泛的生理药理功能。比如，酮体长期以来被用来治疗癫痫症病人，并且在神经退行性疾病模型的研究中也发挥保护作用。近年来生酮饮食还被应用于治疗肿瘤。截至目前，大约有三十余项关于生酮饮食用于包括肿瘤、心血管疾病、神经系统疾病治疗的相关临床实验 ()。 在细胞分子水平上，研究表明酮体可以抑制炎症免疫的发生，并且与肿瘤细胞的干性相关。然而酮体的众多生物学功能的分子机制尚没有被研究清楚。
组蛋白修饰是表观遗传学密码的重要组成部分，调控着基因表达等众多与染色质相关的生理进程。表观遗传密码失调与多种疾病，例如肿瘤密切相关。因此，发现新组蛋白密码并揭示其生物学功能，对深入了解多种疾病的发生、发展和治疗有重要意义。该课题组综合运用高分辨率质谱技术和生化方法鉴定并验证了一种新的蛋白质翻译后修饰——三羟基丁酸修饰。此修饰来源于酮体之一，三羟基丁酸，并广泛存在于细胞的组蛋白赖氨酸上。
研究者应用老鼠模型来进一步研究组蛋白三羟基丁酸修饰的生物学功能。在饥饿的情况下，糖类作为能源物质的比重逐渐下降，脂肪动员产生的酮体水平逐渐升高。与此同时，研究者发现老鼠肝脏细胞中的组蛋白赖氨酸三羟基丁酸修饰水平显著升高，而主要来源于糖类代谢的乙酰化修饰水平并没有显著变化。进一步的染色质沉淀实验和基因表达测序发现伴随着组蛋白三羟基丁酸修饰的升高，一些跟饥饿生理反应相关的基因的表达被上调，比如氨基酸代谢、脂肪酸代谢、氧化还原的稳态、生物钟的调控等。该研究结果表明，三羟基丁酸修饰的变化灵敏地反映着体内外环境的变化，尤其是能量代谢的改变。机体能够通过组蛋白的修饰转化为对基因转录的调控，从而帮助机体快速调整并适应环境带来的变化。综上所述，该研究揭示了一种全新的表观遗传学通路——组蛋白三羟基丁酰化修饰。该发现揭示了酮体发挥生物学功能的新机制，并且有利于今后对生酮饮食在治疗肿瘤和癫痫中的机制研究和对酮体更广泛生物学功能的认识。
该研究由芝加哥大学赵英明教授与中科院上海药物所李佳研究员、谭敏佳研究员、李静雅研究员，耶鲁大学的杨小勇教授，以及洛克菲勒大学Robert G. Roeder教授等多个课题组共同合作完成。赵英明教授和杨小勇教授是共同通讯作者。
2. 组蛋白丁酰化
精子的形成过程包含了一系列细胞形态以及功能上的变化。在此过程中，表观遗传学尤其是组蛋白修饰的动态变化对于基因的程序性表达调控发挥了重要作用。在该项研究中，赵英明教授课题组综合运用生物化学、高分辨质谱以及高通量测序等方法阐明了该组于2007年发现的表观遗传新修饰——组蛋白丁酰化在精子形成过程中发挥的独特生物学功能。
该课题组发现在精子发育分化过程中，转录激活的基因不仅跟组蛋白乙酰化相关，还和丁酰化相关。体外酶活性和转录实验表明，此两种修饰可以被同一种酰化转移酶催化，并且丁酰化具有和乙酰化类似的促进体外转录的活性。组蛋白的乙酰化通过与精子发育过程中重要的调控因子Brdt相结合从而激活基因的转录，而研究者发现丁酰化则能与乙酰化互相竞争并阻止Brdt与组蛋白结合。由此，研究者提出了一个组蛋白乙酰化和丁酰化动态交替的模型。在该模型中，染色质因为修饰的缘故保持在一种适合基因转录的状态，因而Brdt所主导的基因可以在不同的修饰中切换开关状态，循环往复进行高效表达。这一模型不仅仅局限于精子形成过程，因为成体细胞中同样有Brdt家族的蛋白可能利用相似的机制完成精细的基因调控。
组蛋白丁酰化来源于丁酸分子的代谢，丁酸分子长期被视为组蛋白去乙酰化酶抑制剂并被用于多种肿瘤的临床治疗。此外，富含纤维的食物在肠道细菌的作用下会产生大量的短链脂肪酸，比如丁酸。有研究表明肠道细菌产生的丁酸对肠上皮细胞有减轻氧化损伤与炎症，促进肠道蠕动并预防肠道肿瘤的功能。因此，组蛋白丁酰化的发现与功能研究为阐明丁酸分子的多种生理及药理功能提供了新的视角。
该研究由芝加哥大学赵英明教授与法国格勒诺布尔第一大学的Saadi Khochbin教授，以及洛克菲勒大学Robert G. Roeder教授等多个课题组共同合作完成。赵英明教授和Saadi Khochbin教授是共同通讯作者。
参考文献
1. Metabolic Regulation of Gene Expression by Histone Lysine b-hydroxybutyrylation
Ketone bodies have been used to treat epilepsy, and are under evaluated as adjunctive treatments for patients with brain tumors and other malignancies. However, the mechanisms underlying are not understood. Here we report the identification and verification of a β-hydroxybutyrate-derived protein modification, lysine β-hydroxybutyrylation (Kbhb), as a new type of histone mark. Histone Kbhb marks are dramatically induced in response to elevated β-hydroxybutyrate levels in cultured cells, and in livers from mice subjected to prolonged fasting or streptozotocin-induced diabetic ketoacidosis. In total, we identified 44 histone Kbhb sites, a figure comparable to the known number of histone acetylation sites. By ChIP-seq and RNA-seq analysis, we demonstrate that histone Kbhb is a mark enriched in active gene promoters, and that the increased H3K9bhb levels that occur during starvation are associated with genes up-regulated in starvation-responsive metabolic pathways. Histone β-hydroxybutyrylation thus represents a new epigenetic regulatory mark that couples metabolism to gene expression, offering a new avenue to study chromatin regulation and the diverse functions of β-hydroxybutyrate in the context of important human pathophysiological states, including diabetes, epilepsy, and neoplasia.
2. Dynamic Competing Histone H4 K5K8 Acetylation and Butyrylation Are Hallmarks of Highly Active Gene Promoters
Recently discovered histone lysine acylation marks increase the functional diversity of nucleosomes well beyond acetylation. Here, we focus on histone butyrylation in the context of sperm cell differentiation. Specifically, we investigate the butyrylation of histone H4 lysine 5 and 8 at gene promoters where acetylation guides the binding of Brdt, a bromodomain-containing protein, thereby mediating stage-specific gene expression programs and post-meiotic chromatin reorganization. Genome-wide mapping data show that highly active Brdt-bound gene promoters systematically harbor competing histone acetylation and butyrylation marks at H4 K5 and H4 K8. Despite acting as a direct stimulator of transcription, histone butyrylation competes with acetylation, especially at H4 K5, to prevent Brdt binding. Additionally, H4 K5K8 butyrylation also marks retarded histone removal during late spermatogenesis. Hence, alternating H4 acetylation and butyrylation, while sustaining direct gene activation and dynamic bromodomain binding, could impact the final male epigenome features.