表观遗传的宠儿：组蛋白乙酰化的神奇魔力
核小体是真核生物染色质的基本结构单元，染色质局部结构的动态变化影响许多重要的生命活动过程，如DNA复制、RNA转录、DNA损伤修复、重组等。组蛋白翻译后修饰是影响染色质结构的重要因素，这些修饰主要发生在组蛋白末端的尾巴上，包括甲基化、乙酰化、磷酸化和泛素化等修饰。
乙酰化是一种常见的蛋白质翻译后修饰，一般情况下,组蛋白乙酰化有利于DNA与组蛋白八聚体的解离，核小体结构松弛，从而使各种转录因子和协同转录因子能与DNA结合位点特异性结合，激活基因的转录。
近日，国际专业期刊Nature、Cell、Cell Discovery、Developmental Cell、JCI Insight等期刊上陆续报道了关于组蛋白乙酰化的研究成果，分别揭示了组蛋白乙酰化在发育和寿命调控、细胞命运决定、糖尿病等疾病机理的重要生物学功能，及组蛋白修饰酶活性调节的分子机制。
细胞核中，组蛋白去乙酰化酶HDAC与组蛋白乙酰化转移酶HAT共同调控组蛋白乙酰化的动态平衡,对染色体的结构修饰和基因表达调控发挥着重要的作用。组蛋白乙酰化的研究内容也主要是针对这两者的结构及位点特异性、与疾病的关联与机理、生物学功能等展开研究。
我们从组蛋白乙酰化转移酶HAT、组蛋白去乙酰化酶HDAC两个角度整理了相关的Highlights，以飨读者。
组蛋白去乙酰化酶目前在人体中共发现了18种，根据序列同源性不同被分为4种类型：
第Ⅰ类HDAC1~3，8，主要分布在细胞核内；
第Ⅱ类HDAC4~7，9，10；
第Ⅲ类为sirtuin蛋白家族，包括SIRT1~7，
第Ⅳ类仅包含一个成员HDAC11.
HDACs相互作用图
1Nature：SIRT6全身敲除，揭示发育与寿命调控的分子开关
衰老（Aging）是神经退行性疾病、动脉粥样硬化、糖尿病和恶性肿瘤等慢性疾病的最大风险因素。衰老进程主要由遗传和表观遗传因素共同调控，因此理解衰老的遗传和表观遗传基础是延缓衰老和防治衰老相关疾病的重要前提。
SIRT6属于沉默信息调节因子2（Sir2）蛋白家族中的一员，目前已知其拥有NAD+依赖的组蛋白去乙酰化酶和单ADP核糖基转移酶两种功能。SIRT6通过这两种功能调控DNA修复、端粒维护、炎症反应以及癌症的发生等，参与了衰老及寿命的调控。因此SIRT6被认为是经典的“长寿蛋白”，并成为人们试图延缓衰老的重要靶标。
然而，迄今为止几乎所有SIRT6作为“长寿蛋白”的证据均来源于小鼠和其他低等模式生物，而SIRT6能否在灵长类动物中发挥类似的功能尚不清楚。
8月23日，中科院生物物理研究所刘光慧课题组与中科院动物研究所周琪院士团队、李伟课题组以及胡宝洋课题组等科学家联合攻关，经过三年努力，首次实现了SIRT6在非人灵长类动物中的全身敲除，获得了世界上首例特定长寿基因敲除的食蟹猴模型，并且发现SIRT6可以通过介导长链非编码核糖核酸H19印记调控区的组蛋白去乙酰化来反式抑制H19的表达。相关研究发表于国际学术期刊Nature上。
利用CRISPR/Cas9基因编辑技术获得SIRT6全身敲除的食蟹猴
与SIRT6敲除小鼠表现的加速衰老表型明显不同，SIRT6敲除的食蟹猴在出生数小时内即死亡。多项分析结果显示，SIRT6敲除的食蟹猴未见加速衰老表型，却表现出严重的全身发育迟缓。新生SIRT6敲除猴的脑、肌肉及多种其他器官组织均表现出明显的胚胎期未成熟的细胞和分子特征。
此外，利用人类干细胞模型开展的研究表明，SIRT6缺乏也可阻滞人类神经干细胞向神经元的分化。进一步的分子机制研究发现，SIRT6可以通过介导长链非编码核糖核酸H19印记调控区的组蛋白去乙酰化来反式抑制H19的表达，而SIRT6的缺乏则会在灵长类动物神经前体细胞中引起H19表达的异常上调，进而导致脑发育迟缓。
SIRT6缺失导致H19表达上调，进而导致脑发育迟缓
该研究首次结合非人灵长类动物模型、人类干细胞模型及基因编辑技术揭示了可调控灵长类动物出生前发育程序的关键分子开关，为研究人类出生前发育迟缓综合征提供了重要的模型体系。此外，该研究首次揭示了灵长类和啮齿类动物在衰老调节通路方面的巨大差异，为开展人类发育和衰老的机制研究，以及相关疾病的干预奠定了重要的基础。
特别的是，SIRT6拥有NAD+依赖的组蛋白去乙酰化酶和单ADP核糖基转移酶两种功能，在DNA修复、端粒维护、炎症反应以及癌症的发生等方面发挥了关键的生物学功能。越来越多的研究针对SIRT6的两种功能进行研究，如通过对SIRT6进行点突变，只保留某去脂肪酰化活性揭示其生理功能与分子机制，证明SIRT6的去脂肪酰化活性调控外泌体介导的蛋白分泌；运用酰化修饰组学对SIRT6的作用机制进行研究，揭示SIRT6抑制癌症发生的原因；对来源于人体的22中主要免疫细胞中，组蛋白上30余位点上的8种修饰进行检测，揭示衰老过程中组蛋白修饰变化等。这些研究大大的提高了我们对表观遗传、衰老与癌症疾病的认识。
1JCI Insight：组蛋白去乙酰化酶11有望治疗肥胖与糖尿病
肥胖是一种越来越被人们所关注的健康问题，预计到2040年，全球将会有5亿成年人受肥胖及其相关的慢性疾病（比如2型糖尿病）的影响。
近日，国际专业学术杂志JCI Insight发表了一篇研究报告，来自科罗拉多大学医学院的科学家发现组蛋白去乙酰化酶11（HDAC11）调节机体的能量消耗和脂肪组织转化，可能作为治疗肥胖和糖尿病的潜在治疗靶点。
组蛋白去乙酰化酶11，是IV类组蛋白去乙酰化酶中唯一的成员，不仅从表观遗传学的角度参与细胞分裂调节，神经系统发育以及肿瘤发生等重要生理病理过程，并且与免疫耐受等免疫活动密切相关。除此以外，HDAC11可与其他HDACs相互结合，形成功能复合体。
研究人员对HDAC11的生物学功能进行了研究，结果发现，抑制HDAC11就能增加机体对能量的消耗，增加机体的能量消耗治疗肥胖和代谢性疾病。
剔除小鼠机体中的HDAC11能够刺激棕色脂肪组织形成，而且缺失HDAC11也会诱发白色脂肪组织“棕化”。这些改变非常重要，因为白色脂肪的作用是将体内多余能量以脂肪的形式储存起来，形成通常人们所不愿看到的肥胖。而棕色脂肪能将脂肪转化为热量。
HDAC11及其相关蛋白BRD2控制脂肪组织转化
缺失HDAC11酶的小鼠常会免于肥胖、胰岛素耐受性及其它高脂肪喂食的不利效应。因此HDAC11或许是一种潜在靶点，能帮助研究人员开发治疗肥胖、糖尿病等慢性疾病的新型疗法。
文章揭示了一种调节能量消耗的成药转录途径，或有望帮助我们基于HDAC11的抑制作用来开发新型策略，从而治疗全球流行的肥胖和糖尿病。
3Devel Cell：HDAC1或能驱动大脑神经元细胞死亡
8月6日，来自范德堡大学的科学家们在多发性硬化症患者机体损伤的神经元中发现了一种组蛋白去乙酰化酶1（HDAC1），可能成为治疗多种神经变性疾病的新型靶点。相关研究发表在国际杂志Developmental Cell上。
研究者发现，HDAC1同样也存在某些神经元的轴突中。当变性信号被激活时，HDAC1通过修饰一种名为“分子马达”（Molecular Motor）的组分，随后通过轴突将信号传导物质传导到神经元的细胞体，并杀灭它。
本文研究中研究人员阐明了这种分子马达被组装的方式，以及其是如何被运输到细胞体的，鉴别出了关键组分以及控制其运输的机制。
最后，研究者将继续研究，类似的细胞过程是否也会在肌萎缩侧索硬化症患者大脑的运动神经元中发生。如果能够有效阻断该过程的话，研究人员或许就能成功阻断神经元细胞死亡。
调节组蛋白和转录因子的乙酰化水平的一个重要机制，是组蛋白乙酰转移酶（HAT）及脱乙酰基酶（HDAC）的竞争活动的平衡，从而在控制细胞生命活动中发挥着重要作用.
4Cell：组蛋白伴侣调节组蛋白修饰酶活性的分子机制
8月9日，中国科学院生物物理研究所许瑞明课题组与美国哥伦比亚大学张志国课题组合作在Cell上发表研究论文。研究人员通过解析真菌特有的组蛋白乙酰转移酶Rtt109与活性调节因子Asf1以及底物H3-H4复合物的晶体结构，结合生化和遗传学实验，首次揭示组蛋白伴侣调节组蛋白修饰酶活性的分子机理。这是染色质领域第一个组蛋白修饰酶与完整底物复合体的结构。
2007年，张志国和许瑞明课题组合作报道组蛋白H3K56位乙酰化现象，该修饰影响DNA复制叉的稳定及核小体成熟，缺少H3K56乙酰化修饰的细胞易发生DNA损伤及染色质重排。并鉴定出真菌特有的乙酰转移酶Rtt109是催化该修饰的酶。
张志国和许瑞明课题组在此基础上进一步研究两种组蛋白伴侣Asf1和Vps75对Rtt109酶活性的调节作用，体外实验表明两种组蛋白伴侣均可与Rtt109形成复合体，但Vps75主要促进了Rtt109在H3K9和H3K27位点的催化活性，而Asf1是促进H3K56位乙酰化的重要调节因子。
Rtt109和Asf1体外复合体的组装存在一定困难，如何排除Vps75的干扰需要很多尝试。许瑞明和张志国课题组经过十余年努力，巧妙地通过采用缺少Vps75结合部位的烟曲霉的Rtt109，与酵母Asf1和底物组蛋白H3-H4组装了很好的复合体，并解析该四元复合物与乙酰基供体CoA复合物的晶体结构。
Rtt109-Asf1-H3-H4四元复合物和酰基供体乙酰辅酶A复合体
从结构中可以看到，H3K56所在的N端α-螺旋被打开，形成一段柔性的loop区，该loop区结合在Rtt109的活性口袋周围，从而使H3K56的侧链伸入活性口袋。
尽管组蛋白伴侣Asf1对于H3K56修饰必不可少，但Asf1与Rtt109之间并没有直接的相互作用。Asf1通过其C端的一个β-strand与组蛋白H4的C端之间形成β-折叠片，稳定了H4末端的一个关键片段，使底物处于更利于催化的构象进而促进Rtt109的活性。这个结构特性被进一步的生化和遗传学实验确证是Rtt109发挥功能的必要条件；另外，Rtt109与组蛋白H3的核心螺旋结构的相互作用也是其活性所必需的。
这项工作首次揭示了组蛋白修饰酶的多亚基、多底物识别位点的复杂调控机制，为理解该类乙酰化酶的底物识别和活性调控机制提供了重要基础，也为以组蛋白乙酰转移酶Rtt109为靶点的抗真菌药物研究提供了线索和依据。
5Cell Discovery：NuA4和SWR1复合物整合分离调控细胞命运可塑性
白念珠菌是一种人类机会性致病真菌，以多种形态寄生于人体，包括酵母态和菌丝态，其形态转换能力与其致病能力直接相关。酵母-菌丝形态的转变受多种外界刺激影响，同时受细胞内多种转录因子和染色质修饰复合物调控，但具体的调控机制并不清楚。
8月14日，国际学术期刊Cell Discovery在线发表了中国科学院生物化学与细胞生物学研究所陈江野研究组的科研成果。研究发现，组蛋白乙酰转移酶复合物NuA4与染色质重塑复合物SWR1的整合和分离调控白念珠菌形态转换，推测NuA4 与SWR1复合物的融合在真核生物进化过程中具有重要意义。
本研究中的组蛋白乙酰转移酶复合物NuA4和染色质重塑复合物SWR1是真核细胞中进化保守的复合物。以前的研究表明，在低等真核生物比如酿酒酵母中，NuA4和SWR1是两个独立存在却又协同作用的复合物；而在高等真核生物比如人类中，NuA4和SWR1融合成一个大的复合物称之为TIP60，TIP60同时拥有NuA4复合物的成员和SWR1复合物的成员。
研究人员发现，在菌丝态细胞中，NuA4和SWR1分成两个独立的复合物，与酿酒酵母的复合物相似。而在酵母态白念珠菌细胞中，NuA4和SWR1复合物能融合形成一个大的复合物，与人的TIP60相类似。
NuA4复合物的核心酶Esa1能介导NuA4复合物的平台蛋白Eaf1 K173的乙酰化，从而被SWR1复合物上的Yaf9的YEATS结构域所识别，进而桥接了两个复合物，导致两个复合物的融合。而在菌丝发育过程，菌丝特异性转录因子Brg1招募去乙酰化酶HDA 1，从而去除了Eaf1 K173的乙酰化，直接导致两个复合物的分离。
NuA4和SWR1复合物的动态离合调控白念珠菌的酵母-菌丝形态转换
该研究首次证明NuA4与SWR1复合物动态的离合直接调控白念珠菌酵母-菌丝形态转换，揭示NuA4 与SWR1复合物的整合和分离在细胞命运可塑性调控中的一种新机制。
组蛋白的翻译后修饰是表观遗传学研究中的重要一环。组蛋白和DNA缠绕构成核小体，组蛋白的酰化修饰能够调节DNA缠绕的松紧度，从而对基因表达进行调控，影响细胞染色质结构或激活核内转录调控因子，调节代谢通路及代谢酶活性。对酰化修饰的研究，将代谢过程和表观遗传学衔接起来，极大地丰富对组蛋白密码和表观遗传学机理的认识。
当前的表观遗传研究主要集中在乙酰化，但越来越多的研究发现，表观遗传与组蛋白的多种多样的酰化修饰相关。
修饰类型 | 生理机制 | 热点应用 |
乙酰化 | 最常见的酰化修饰，参与表观遗传、信号转导、代谢调节、细胞凋亡等生物学过程 | 免疫应答、肿瘤发生、代谢疾病、细胞凋亡等 |
巴豆酰化 | CELL杂志2011年年度表观遗传领域研究亮点，结合转录活跃的染色质区，调控基因表达 | 生殖调控、表观遗传 |
琥珀酰化 | 参与细胞分化、代谢调控、表观调控、信号转导等生理活动 | 炎症、代谢疾病、肿瘤 |
丙二酰化 | 能量代谢、抗生素的生物合成、代谢调节和光合作用 | 代谢紊乱疾病 |
二羟基异丁基酰化 | 染色质功能调节 | 表观遗传，糖酵解代谢途径 |
苯甲酰化 | 2018年发现的新型修饰，与乙酰化相比，调节甘油磷脂的代谢，卵巢甾类的合成，水解磷脂酶D的信号通路，血清素突触以及胰岛素的分泌过程。 | 表观遗传 |
对于炙手可热的蛋白质翻译后修饰，作为一线科研工作者的我们应该怎么赶上这班车？景杰生物作为酰化修饰组学的开创者与领跑者，揭示发现多种类的酰化修饰类型（乙酰化、巴豆酰化、琥珀酰化、丙二酰化、二羟基异丁基酰化、苯甲酰化等），提供全面的酰化修饰研究方案与修饰性抗体，可以助力大家进行以下方向的研究：
1. 利用组蛋白修饰抗体，结合LC-MS/MS技术，研究酰化修饰组学
2. 研究组蛋白与非组蛋白酰化修饰的功能
3. 研究组蛋白酰化修饰的结构及位点特异性
4. 研究抑制剂，药物或代谢调控物质对酰化修饰水平的影响，以及产生的后果
5. 从酰化修饰的角度研究疾病的作用机理。
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参考文献
Baoyang Hu, et al. 2018 SIRT6 deficiency results in developmental retardation in cynomolgus monkeys.Nature.
Rushita A. Bagchi, et al., 2018, HDAC11 suppresses the thermogenic program of adipose tissue via BRD2. JCI Insight.
Amrita Pathak, et al., 2018, Retrograde Degenerative Signaling Mediated by the p75 Neurotrophin Receptor Requires p150Glued Deacetylation by Axonal HDAC1. Developmental Cell.
Rui-Ming Xu, et al., 2018, Multisite substrate recognition in Asf1-dependent acetylation of histone H3K56 by Rtt109. Cell.
Xiongjun Wang, et al., 2018, Merge and separation of NuA4 and SWR1 complexes control cell fate plasticity in Candida albicans. Cell Discovery.
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