“Follow Your Gut”---肠道微生物代谢脂肪酸调控表皮细胞组蛋白巴豆酰化
今天与大家分享一篇肠道菌影响肠道表皮细胞中组蛋白修饰的研究成果。来自英国Babraham研究所的科学家发现,肠道微生物可以代谢脂肪酸为短链脂肪酸SCFA，通过抑制肠道表皮细胞中组蛋白去乙酰化酶而促进组蛋白H3K18巴豆酰化修饰，调控相关基因的表达，这一成果发表在著名学术期刊Nature Communications上[1]。之前的研究认为SCFA只是作为碳源和能量分子，本文则表明这些化合物还可以参与调控组蛋白修饰，参与基因的表达调控。
组蛋白修饰是表观遗传学研究的重要方向，其影响了基因的表达，和众多生理、病理过程有密切的联系。景杰生物的科学顾问，芝加哥大学赵英明教授课题组近年来鉴定了八种新型修饰，极大地增加人们对组蛋白修饰的认识，开辟了表观遗传调控的新领域。其中组蛋白的巴豆酰化（crotonylation）因参与基因的调控，并且在发育过程中起到重要的作用而引起研究者的普遍关注。2011年，赵英明教授课题组在cell上首次报道组蛋白巴豆酰化修饰及其在生殖细胞发育中的角色[2]；
科罗拉多大学Tatiana Kutateladze和安德森癌症研究所石晓冰教授等人Nature Chemical Biology上报道组蛋白赖氨酸巴豆酰化的“阅读器”[3]；
清华大学李海涛教授发现双PHD锌指（DPF）结构域具有特异识别组蛋白巴豆酰化修饰的分子功能[4]；
景杰生物和尚永丰院士、北京大学医学部梁静教授等人合作，在Molecular Cell上揭示CDYL能够通过水解巴豆酰辅酶A负调控组蛋白的巴豆酰化修饰[5]。
景杰生物和北京大学张宏权教授合作，在Cell Research上首次解析细胞非组蛋白的巴豆酰化修饰组，按时蛋白质巴豆酰化修饰可能参与除了生殖发育之外的生物过程[6]；和华东师范大学翁杰敏教授、上海交大附属第六医院俞建军教授合作，在Cell Research上发现，I类HDAC是主要的组蛋白去巴豆酰化酶[7]
景杰生物作为全球蛋白质及翻译后修饰的领跑者，全球独家提供多种酰化抗体（如巴豆酰化）和蛋白质修饰组学服务（如巴豆酰化）的解决方案，为蛋白质翻译后修饰研究助力。
研究思路和成果：
作者首先通过WB实验发现小鼠结肠组织的组蛋白巴豆酰化水平较高(Fig. 1A)，然后质谱检测小鼠小肠上皮，结肠上皮，小肠隐窝区组织组蛋白修饰的位点（Fig.1B）。除了甲基化和乙酰化等常见修饰，作者还发现了H3组蛋白上的K9, K14, K18, K27, 和K56等位点发生巴豆酰化修饰。其中，巴豆酰化丰度最高的位点位于结肠和小肠隐窝区组织中的H3K18 (H3K18cr) (Fig. 1C)，并且该结果随后也获得WB实验的验证 。
图1. 肠道细胞组蛋白中存在巴豆酰化修饰
为了探究H3K18cr的功能，作者通过CHIP-seq发现H3K18cr与转录起始位点（TSS）结合（Fig. 2A），这表明H3K18cr参与基因转录过程。随后RNA-seq的结果证明H3K18cr可以促进相关基因的表达（Fig.2B），KEGG网络分析H3K18cr调控的基因参与多种肿瘤相关通路，提示组蛋白巴豆酰化与肿瘤息息相关（Fig. 2C）。
图2. 结肠中H3K18cr修饰的ChIP-seq结果，参与基因表达的激活
鉴于组蛋白巴豆酰化参与代谢过程，在肠道中表达相对较高，因此作者猜想巴豆酰化可能与肠道微生物产生的短链脂肪酸（SCFAs）相关。为了证实这一点，作者给予小鼠抗生素处理，小鼠的血清和结肠局部SCFAs降低（Fig. 3A），同时组蛋白的巴豆酰化水平也明显降低（Fig. 3B），并同时伴有HDAC2表达上调（Fig. 3C），提示HDAC2可能参与这一过程。作者随后又用巴豆酸酯和丁酸盐处理结肠癌细胞系，发现这两种SCFAs都可以促进组蛋白的巴豆酰化（Fig. 3D），从而证明了去除肠道微生物可以通过减少SCFAs降低肠道组蛋白的巴豆酰化水平。
图3. 抗生素去除肠道菌后，影响了细胞组蛋白巴豆酰化和HDAC2的水平
丁酸盐是HDAC抑制剂，因此作者考虑HDAC可能调节组蛋白巴豆酰化。结肠癌细胞系HCT116用MS275（I类HDAC选择性抑制剂）处理后会导致组蛋白乙酰化水平增高，组蛋白巴豆酰化水平也显著升高（Fig. 4A）。并且处理后的相关基因表达改变与H3K18的乙酰化和巴豆酰化的改变同时相关，暗示这些组蛋白修饰变化参与相关基因的表达调控（Fig. 4B,4C）。
图4. HDAC抑制剂MS275处理会导致组蛋白巴豆酰化修饰增加，影响相关基因表达调控
作者随后通过体外实验证明，HDACs可以导致H3K18的去巴豆酰化、去乙酰化（Fig. 5A）。同时进行HDAC1对于H3K18的巴豆酰化和乙酰化的酶促动力学检测，有趣的是HDAC1巴豆酰化的Km值比乙酰化还要低，提示HDAC1在低浓度情况下与巴豆酰化的组蛋白结合更为紧密（Fig. 5B）, 并在体外发现TSA，丁酸盐，巴豆酸酯是通过抑制HDACs来调控蛋白质巴豆酰化（Fig. 5C）。
图5. 短链脂肪酸通过抑制HDACs活性调控蛋白质巴豆酰化
总结：
本文从表观遗传学的角度上，发现肠道微生物可以将脂肪酸分解为短链脂肪酸SCFA，抑制组蛋白去乙酰化酶，从而促进组蛋白H3K18巴豆酰化修饰，调控基因表达。
当然这篇文章还引出了其他科学问题，脑组织中组蛋白巴豆酰化水平同样很高，并且存在高丰度的非组蛋白巴豆酰化，那么这些蛋白的巴豆酰化对生命活动扮演什么样的角色？同时，作者还发现组蛋白巴豆酰化与细胞周期相关，组蛋白巴豆酰化调节基因很多都参与肿瘤相关通路，说明蛋白质的巴豆酰化修饰与肿瘤的关系也亟待被发掘，因此巴豆酰化修饰具有很大的研究和应用价值, 还有很多未解的问题需要研究学者去探索。
参考文献：
1. Fellows, R.,et al., (2018) Microbiota derived short chain fatty acids promote histone crotonylation in the colon through histone deacetylases, Nat Commun. 9, 105.
2. Tan, M., et al., (2011) Identification of 67 histone marks and histone lysine crotonylation as a new type of histone modification, Cell 146, 1016-28.
3. Andrews, F. H., et al., (2016) The Taf14 YEATS domain is a reader of histone crotonylation, Nature chemical biology 12, 396-8.
4. Xiong, X., et al., (2016) Selective recognition of histone crotonylation by double PHD fingers of MOZ and DPF2, Nature chemical biology 12, 1111-1118.
5. Liu, S., et al., (2017) Chromodomain protein CDYL acts as a crotonyl-CoA hydratase to regulate histone crotonylation and spermatogenesis, Mol. Cell 67, 853-866 e5.
6. Xu,W., et al., (2017), Global profiling of crotonylation on non-histone proteins, Cell Research 27.
7. Wei, W., et al., (2017), Class I histone deacetylases are major histone decrotonylases: evidence for critical and broad function of histone crotonylation in transcription, Cell Research 27.
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。