Nature Chem. Biol.:科學家揭示新型蛋白質翻譯後修飾並鑒定出63個組蛋白密碼

隨著人們對蛋白質功能和生物學機制的研究的逐步深入，蛋白質翻譯後修飾的重要性與日俱增。比如磷酸化、乙醯化、甲基化、泛素化和糖基化等翻譯後修飾是真核細胞生物調節蛋白質發揮生物學功能的重要方式，對發育、代謝、疾病等眾多生理過程均起到關鍵的調控作用。過去十年來， 50%以上的重磅抗癌藥物(年銷售額超過10億美元)的作用靶點是磷酸化調節酶。這些組蛋白的翻譯後修飾密碼，因其會影響基因的轉錄，是表觀遺傳調控的核心部分，對於許多生物過程和疾病發生有著至關重要的影響。近日，芝加哥大學趙英明課題組在化學類頂級雜誌Nature子刊《Nature Chemical Biology》上報道了一種新型的組蛋白翻譯後修飾密碼--賴氨酸二羥基異丁醯化，並指出組蛋白H4K8上的二羥基異丁醯化對精子細胞的分化起到重要的調控作用。這是繼發現丙醯化、丁醯化、琥珀醯化、巴豆醯化、丙二酸醯化和戊二酸醯化修飾密碼後又一重大發現。這一工作是趙英明課題組和法國格勒諾布爾第一大學的Saadi Khochbin教授，加州大學聖地亞哥分校的任兵教授，以及洛克菲勒大學的C. David Allis教授共同完成，戴倫治博士是文章的第一作者，趙英明教授是通訊作者。

在該工作中，趙英明課題組綜合運用化學和生物化學等方法發現並且系統地證明了從原核生物到高等哺乳動物的組蛋白上普遍存在著賴氨酸二羥基異丁醯化。這個新型的蛋白質密碼存在以下特點：1、修飾位點多。研究人員從組蛋白中鑒定出63個賴氨酸二羥基異丁醯化位點。這一數目遠高於已知的組蛋白乙醯化位點數目。63個組蛋白修飾位點是一個相當可觀的數目，在乙醯化報道後的40年多年裡(1964-2006)，全球眾多的課題組一共才鑒定了大約100個組蛋白翻譯後修飾位點。截至目前為止，趙英明課題組已經鑒定出200多個組蛋白修飾位點。 2、分布廣。大多數乙醯化位點主要存在於組蛋白的N-端，而二羥基異丁醯化不僅存在於組蛋白的N-端，而且也廣泛存在於組蛋白的C-端。3、丰度高。基於SILAC技術的定量分析表明，組蛋白賴氨酸二羥基異丁醯化位點的丰度比一些已報道的具有生物學功能的乙醯化位點高。4、動態變化。研究人員比較了細胞有絲分裂的不同時期、精子細胞減數分裂的不同階段以及四膜蟲的大核和小核中的二羥基異丁醯化的變化，結果表明二羥基異丁醯化在這些生物學過程中處於動態變化狀態。研究人員進一步運用免疫熒光，免疫組織化學和ChIP-seq技術對精子發育過程中組蛋白H4K8上的乙醯化和二羥基異丁醯化進行了研究，發現在精母細胞中，特別是在減數分裂後期的圓精細胞中，H4K8二羥基異丁醯化比乙醯化對精子發育過程中的相關基因具有更加廣泛的調控功能，這為今後其生物學功能研究奠定了基礎。

蛋白賴氨酸翻譯後修飾是目前生命科學領域的前沿和研究的熱點之一。各種各樣的賴氨酸修飾密碼的發現不僅不是多餘，反而更體現了這些調控密碼在生命發育過程和基因調控中的複雜性和多樣性。鑒定疾病發展早期蛋白質翻譯後修飾的位點，對於疾病診斷和治療可能有著重要的指導意義。此外，隨著調節這些賴氨酸修飾的酶的發現，這些修飾密碼的生物學功能將會得到進一步揭示。(生物谷Bioon.com)

Lysine 2-hydroxyisobutyrylation is a novel widely distributed active histone mark

Lunzhi Dai, Chao Peng, Emilie Montellier, Zhike Lu, Yue Chen, Haruhiko Ishii, Alexandra Debernardi, Thierry Buchou, Sophie Rousseaux, Fulai Jin, Benjamin R. Sabari, Zhiyou Deng, C. David Allis, Bing Ren, Saadi Khochbin, Yingming Zhao

Here we report the identification of a new type of histone mark, lysine 2-hydroxyisobutyrylation (K_hib), and 63 human and mouse histone K_hib sites, including 27 unique K_hib sites without reported lysine acetylation (K_ac) and lysine crotonylation (K_cr). This histone mark was initially identified by mass spectrometry (MS) and then exhaustively validated by both chemical and biochemical methods. Histone K_hib shows distinct genomic distributions from histone K_ac or histone K_cr during male germ cell differentiation. Using ChIP-seq, gene expression analysis and immunodetection, we show that in male germ cells, H4K8_hib is associated with active gene transcription, in meiotic and post-meiotic cells. In addition, H4K8_ac associated genes are included in and constitute only a sub-fraction of H4K8_hib labeled genes. The histone K_hib mark is conserved and widely distributed, has high stoichiometry, and induces a large structural change. These findings suggest its critical role on the regulation of chromatin functions.

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