Cell Discov | HDAC1/2/3是主要的组蛋白去琥珀酰化酶

景杰生物 | 报道

 

蛋白质翻译后修饰（post-translational modifications，PTMs）是对翻译后蛋白质的一个或多个氨基酸残基上添加修饰基团，通过改变蛋白质的理化性质，进而影响蛋白质的空间构像、活性状态、亚细胞定位、折叠及其稳定性以及蛋白互作等特性的过程。 赖氨酸琥珀酰化（lysine succinylation, Ksucc）是芝加哥大学赵英明教授团队，于2010年首次在Nature Chemical Biology报道的一种新型蛋白质翻译后修饰。之前的研究报道组蛋白乙酰转移酶可以催化组蛋白琥珀酰化修饰。例如，KAT2A和HAT1已被证明可以分别催化H3K79succ和H3K122succ。此外，CBP/p300也可以催化组蛋白琥珀酰化的发生。SIRT5是首个被鉴定到的目前已知主要的去琥珀酰化酶。然而，组蛋白去琥珀酰化修饰究竟是如何动态调节的，仍然知之甚少。 8月15日，华东师范大学的翁杰敏教授和魏伟副研究员联合中科院上海药物研究所黄河教授在Cell Discovery（IF=33.5）发表了题为“HDAC1/2/3 Are Major Histone Desuccinylase Critical for Promoter Desuccinylation”的研究论文[1]。研究人员证明了组蛋白去琥珀酰化主要是由I类HDAC1/2/3催化的。研究进一步发现组蛋白琥珀酰化在基因启动子处高度富集，与转录活性密切相关。景杰生物为该研究提供了琥珀酰化修饰泛抗体和组蛋白位点特异性抗体。

 

 

 

为了检测哺乳动物细胞中主要的组蛋白去琥珀酰化酶，研究者首先用HDAC家族泛抑制剂(Trichostatin A, TSA)和SIRT家族泛抑制剂(nicotinamide, NAM)处理HeLa细胞、结直肠癌细胞系HCT116和乳腺癌细胞系MCF7。TSA处理显著升高组蛋白琥珀酰化和乙酰化水平。在相同的条件下，NAM处理未能升高组蛋白琥珀酰化水平，提示组蛋白去琥珀酰化修饰主要由HDAC家族而不是SIRT家族去乙酰化酶催化。接下来研究者用HDAC1/2/3选择性抑制剂(MS275)处理HeLa细胞，发现组蛋白琥珀酰化和乙酰化水平均显著升高，表明I类HDAC1/2/3可能是哺乳细胞中主要的组蛋白去琥珀酰化酶。

 

 

 

图1 通过抑制HDACs而非Sirtuins显著升高组蛋白琥珀酰化水平

 

接下来，研究者通过基因编辑技术进一步验证HDAC1/2/3在组蛋白去琥珀酰化修饰中的功能。研究者分别构建了HDAC1、HDAC2、和HDAC3的单敲除和三敲除sgRNA，以及针对HDAC1、HDAC2或HDAC3的敲低siRNA，感染HeLa细胞系、HCT116细胞系和MCF7细胞系。结果表明，只有HDAC1/2/3三者同时被敲除或者敲低才会导致组蛋白琥珀酰化水平的升高。外源表达野生型HDAC1、HDAC2或HDAC3，可以显著下调组蛋白琥珀酰化整体水平。但是外源表达活性缺陷突变体，不会影响组蛋白琥珀酰化水平。以上实验结果表明HDAC1/2/3都可以发挥组蛋白去琥珀酰化的功能。

 

 

  

图2 Ⅰ类HDACs (HDAC 1/2/3)是哺乳细胞中主要的组蛋白去琥珀酰化酶

 

为了进一步解析HDAC1和HDAC3发挥组蛋白去琥珀酰化活性的最小单位，研究者从HEK293T细胞中纯化出HDAC1/FLAG-MAT1 162-335、HDAC3/FLAG-SMRT 350-489以及相应的突变体。已有文献报道这些核心复合物具有去乙酰化的活性[2-4]。随后WB实验显示,HDAC1/FLAG-MAT1 162-335和HDAC3/FLAG-SMRT 350-489具有组蛋白去乙酰化和去琥珀酰化的活性，并且催化活性呈现剂量依赖性和时间依赖性。以上结果提示HDAC1和HDAC3最小核心复合物具有去琥珀酰化的活性。

 

图3 HDAC1和HDAC3最小核心复合物在体外具有组蛋白去琥珀酰化活性

 

为了鉴定H3K23su的基因调控谱，研究人员使用pan-Ksu，H3K23su和H3K27ac抗体进行了ChIP-seq实验。与DMSO处理的对照组相比，TSA处理的细胞中H3K23su和Ksu水平显著增加，且在启动子区域显著富集。为了研究组蛋白琥珀酰化如何调节转录，他们进行了RNA-seq分析，并与ChIP-seq数据整合分析。结果表明，启动子区域存在H3K23su的基因表现出更高的转录水平。此外，当研究者根据H3K23su水平将调控基因细分为3类时，发现H3K23su的水平与靶向基因转录水平呈正相关的趋势。上述实验结果表明启动子区域的组蛋白琥珀酰化有助于转录激活。

 

图4 组蛋白琥珀酰化启动子富集及其与转录的关系

 

综上所述，研究者证明了HDAC1/2/3是主要的组蛋白去琥珀酰化酶。HDAC1和HDAC3最小核心复合物即可发挥组蛋白去琥珀酰化酶的活性。启动子区域的H3K23su对基因转录调控具有正向作用。该研究为组蛋白琥珀酰化修饰的动态调控提供了新的见解，为进一步阐明组蛋白琥珀酰化的生理病理功能铺平了道路。 景杰生物致力于提供最权威、最专业的蛋白质组学及修饰组学科技服务。可提供乳酸化、巴豆酰化、琥珀酰化等多种新型酰化修饰，助力破译代谢研究“核心”密码。在琥珀酰化修饰组学研究中，景杰生物拥有高特异性的修饰类泛抗体；高分辨率、高灵敏度的质谱仪；经验丰富的蛋白质修饰组研究团队，可提供全面的解决方案，包括样品准备、琥珀酰化修饰分析和数据解读。截至目前，已助力百余项琥珀酰化修饰组学研究，相应研究成果发表于Advanced Science 、Molecular Cell 、Journal of Autoimmunity、Experimental and Molecular Medicine等国际著名期刊上，之后将继续致力于创新研究和技术发展，推动琥珀酰化修饰组学在生物科学领域的应用和发展。

 

参考文献

1. Li J, et al. 2023. HDAC1/2/3 Are Major Histone Desuccinylase Critical for Promoter Desuccinylation. Cell Discov.

2. Watson P, et al. 2012. Structure of HDAC3 bound to co-repressor and inositol tetraphosphate. Nature.

3. Guenther M, et al. 2001. The SMRT and N-CoR corepressors are activating cofactors for histone deacetylase 3. Mol Cell Biol.

4. Millard C, et al. 2013. Class I HDACs share a common mechanism of regulation by inositol phosphates. Mol Cell.

 

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