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
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.
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