在真核生物中，組蛋白甲基化修飾在調(diào)控染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、基因轉(zhuǎn)錄和其他染色質(zhì)相關(guān)過程中起著重要作用。常見的甲基化修飾位點(diǎn)包括組蛋白H3的第4、9、27、36和79位，以及組蛋白H4的第20位賴氨酸。這些甲基化修飾的添加和去除由組蛋白賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶（KMT）和組蛋白賴氨酸去甲基化酶（KDM）催化完成，并受內(nèi)源與環(huán)境因素調(diào)控。

進(jìn)化保守的含有Jumonji C（JmjC）結(jié)構(gòu)域的去甲基化酶家族（Jumonji C-containing histone demethylases，JMJs）是真核生物中的主要組蛋白去甲基化酶。JMJs利用α-酮戊二酸（α-ketoglutarate，α-KG）和氧分子作為輔助底物，通過氧化脫羧反應(yīng)去除組蛋白賴氨酸殘基上的甲基化修飾基團(tuán)。通常情況下，細(xì)胞質(zhì)中的α-酮戊二酸通過核孔擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞核，在JMJs介導(dǎo)的組蛋白去甲基化過程中起必需的作用。因此，細(xì)胞核內(nèi)局部α-酮戊二酸濃度的變化理論上有可能影響JMJs的活性。然而，我們對于JMJ周邊的 α-酮戊二酸濃度是否受到精準(zhǔn)調(diào)控以及這種調(diào)控是否受環(huán)境影響，完全未知。

2023年7月14日，北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院（小麥生物育種全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合研究中心何躍輝研究組在 Science 期刊發(fā)表了題為：Control of histone demethylation by nuclear-localized α-ketoglutarate dehydrogenase 的研究長文。

該研究報(bào)道了三羧酸循環(huán)（TCA Cycle）的限速酶α-酮戊二酸脫氫酶復(fù)合體（α-ketoglutarate dehydrogenase，KGDH）響應(yīng)光信號進(jìn)入細(xì)胞核，并與JMJs蛋白互作；KGDH通過競爭性代謝α-酮戊二酸，抑制了JMJs的組蛋白去甲基化活性，從而在全基因組水平調(diào)控組蛋白的甲基化修飾進(jìn)而調(diào)控一系列環(huán)境響應(yīng)基因表達(dá)的分子機(jī)制。

原核和真核生物的α-酮戊二酸脫氫酶復(fù)合體是線粒體呼吸作用-三羧酸循環(huán)過程中的限速酶，起著將α-酮戊二酸氧化脫羧轉(zhuǎn)變?yōu)殓牾］o酶A的重要功能。何躍輝團(tuán)隊(duì)通過正向或反向遺傳學(xué)方法獲得了擬南芥KGDH兩個(gè)亞基E1（oxoglutarate dehydrogenase, OGDH1和OGDH2）和E2（dihydrolipoamide succinyltransferase，E2a和E2b）的功能缺失突變體。

研究結(jié)果表明，這些突變體尤其是E1的雙突變體表現(xiàn)出明顯的延遲開花和花青素積累的表型，并且影響了TCA循環(huán)的中間代謝物的水平，呼吸作用受到了抑制。盡管α-KG作為JMJs的輔助底物能夠通過影響JMJs的酶活性進(jìn)而調(diào)控基因表達(dá)，但考慮到α-KG含量在ogdh1 ogdh2雙突變體中顯著增加，而在e2a突變體中基本沒有變化，所以細(xì)胞內(nèi)α-KG整體水平的變化并不是導(dǎo)致ogdh1/2和e2a突變體產(chǎn)生表型的直接原因。研究人員猜測少量KGDH可能進(jìn)入細(xì)胞核發(fā)揮作用。哺乳動(dòng)物的一些細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)少量TCA循環(huán)的酶進(jìn)入細(xì)胞核，但是在植物中是否存在類似現(xiàn)象仍未知。

通過熒光蛋白標(biāo)記以及核質(zhì)蛋白分離與檢測等方法，研究人員發(fā)現(xiàn)少量KGDH的三個(gè)亞基存在于擬南芥細(xì)胞核中，并且在細(xì)胞核中檢測到了KGDH全酶的催化活性，這說明植物細(xì)胞核內(nèi)存在完整且具有活性的KGDH。有趣的是，在幼苗中，光信號促進(jìn)KGDH進(jìn)入細(xì)胞核。進(jìn)一步，研究人員通過核定位信號序列預(yù)測工具NLStradamus發(fā)現(xiàn)擬南芥的兩個(gè)E2蛋白都具有核定位信號，并且在E2a和E2b的單突變體中，OGDH1進(jìn)入核內(nèi)的量顯著減少，這表明KGDH入核是通過E2亞基實(shí)現(xiàn)的。作者還分析了綠藻、苔蘚、酵母和果蠅的E2蛋白，發(fā)現(xiàn)這些蛋白都存在核定位信號。當(dāng)核定位信號序列發(fā)生突變后，E2蛋白失去了進(jìn)入細(xì)胞核的能力，并且線粒體定位的E2a不能回補(bǔ)e2a突變體的表型，這表明核內(nèi)KGDH具有重要的生物學(xué)功能。

由于α-KG是JMJs催化去甲基化的必需輔助底物，而KGDH可以降解α-KG，所以核內(nèi)的KGDH可能通過與JMJs競爭并降解α-KG進(jìn)而抑制JMJs的活性。研究人員檢測了KGDH突變體中的組蛋白甲基化修飾情況，發(fā)現(xiàn)在E1的雙突變體ogdh1/2及E2的兩個(gè)單突變體中，去甲基化主要由JMJs催化的修飾包括H3K4me3、H3K9me2、H3K27me3和H3K36me3，其水平都顯著下降了，而去甲基化由不需要α-KG的去甲基化酶LSDs催化的H3K4me1與H3K4me2、其水平?jīng)]有明顯變化。有趣的是，僅定位于線粒體的E2a既不能回補(bǔ)e2a突變體的表型也不能回復(fù)e2a突變體的組蛋白甲基化水平的變化，暗示核內(nèi)KGDH通過控制核內(nèi)局部的α-KG濃度來調(diào)控JMJs的酶活性，從而影響了組蛋白的去甲基化水平。

研究人員進(jìn)一步用ChIP-seq的方法檢測了ogdh1/2雙突變體和野生型的H3K27me3在全基因組水平的分布情況，發(fā)現(xiàn)在突變體中基因編碼區(qū)域的H3K27me3的水平顯著下降了。同時(shí)通過RNA-seq的方法，作者檢測了在ogdh1/2雙突和e2a中較野生型差異表達(dá)的基因，發(fā)現(xiàn)在突變體中差異表達(dá)的基因存在顯著的重疊，并且環(huán)境應(yīng)答或激素響應(yīng)基因在差異表達(dá)基因中富集，比如非生物脅迫、紅光及遠(yuǎn)紅光響應(yīng)基因、脫落酸（ABA）和茉莉酸（JA）響應(yīng)基因。此外、涉及開花調(diào)控的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子FLOWERING LOCUS C（FLC）以及花青素合成關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子PRODUCTION OF ANTHOCYANIN PIGMENT 1（PAP1）在突變體中都顯著上調(diào)，解釋了KGDH突變體晚花和花青素積累的表型。更有趣的是，這些差異表達(dá)的基因大部分都是受到組蛋白甲基化修飾調(diào)控，突變體中上調(diào)表達(dá)的一部分基因被轉(zhuǎn)錄抑制型的H3K27me3修飾，而下調(diào)基因的一部分被轉(zhuǎn)錄激活型的H3K4me3修飾，進(jìn)一步證實(shí)了KGDH復(fù)合體與組蛋白甲基化修飾的關(guān)系。

因?yàn)楹藘?nèi)KGDH通過抑制JMJs的功能來調(diào)控組蛋白甲基化，研究人員進(jìn)一步檢測了KGDH與JMJs直接互作的可能性。通過酵母雙雜交，Co-IP以及BIFC等方法，作者發(fā)現(xiàn)KGDH的OGDH1與H3K27去甲基化酶（ELF6、REF6和JMJ13），H3K4去甲基化酶JMJ14以及H3K9去甲基化酶IBM1等蛋白互作?？紤]到KGDH和JMJs在真核生物的保守性，作者探索了哺乳動(dòng)物的KGDH與JMJs蛋白互作的可能性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)人類和老鼠的OGDH與JMJ去甲基化酶KDM4A互作，這說明KGDH通過直接與JMJs蛋白互作然后抑制其活性可能是真核生物界保守存在的一種調(diào)控機(jī)制。全基因組ChIP-seq實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明，OGDH主要富集在組蛋白甲基化修飾（如H3K4me3、H3K27me3）發(fā)生的區(qū)域。因?yàn)镵GDH復(fù)合體中沒有與DNA或者組蛋白結(jié)合的組分，OGDH在染色質(zhì)上的富集有可能是通過JMJs實(shí)現(xiàn)的。作者從OGDH1富集的位點(diǎn)中選擇了六個(gè)在ogdh1/2突變體中異常表達(dá)的基因，通過ChIP-qPCR的方法，發(fā)現(xiàn)上調(diào)表達(dá)的基因直接受到H3K27去甲基化酶ELF6的調(diào)控，并且ELF6在基因上富集的區(qū)域與OGDH1相同，而下調(diào)表達(dá)的基因直接受到H3K4去甲基化酶JMJ14的調(diào)控。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)OGDH1在ELF6結(jié)合位點(diǎn)的富集依賴ELF6蛋白。作者最后聚焦KGDH和ELF6調(diào)控PAP1表達(dá)的分子機(jī)制，發(fā)現(xiàn)KGDH通過降低PAP1位點(diǎn)的α-KG濃度，抑制ELF6的H3K27去甲基化活性，從而抑制PAP1基因的表達(dá)及花青素的合成。

光照促進(jìn)與TCA循環(huán)相關(guān)的酶KGDH進(jìn)入植物細(xì)胞核，調(diào)控JMJs的組蛋白去甲基化酶活性

綜上所述，該研究揭示了一個(gè)全新的組蛋白去甲基化酶活性的調(diào)控機(jī)制，即TCA循環(huán)的限速酶KGDH能進(jìn)入細(xì)胞核，并且這個(gè)過程在植物中受光調(diào)控；核內(nèi)KGDH與多個(gè)JMJs互作，通過催化α-酮戊二酸的氧化脫羧，競爭性地抑制了JMJs的去甲基化活性，從而調(diào)控了基因組范圍內(nèi)的組蛋白甲基化水平，進(jìn)而激活或抑制靶基因表達(dá)。核內(nèi)KGDH與JMJs的互作在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中也被發(fā)現(xiàn)，表明這一調(diào)控機(jī)制保守存在于真核生物界。

北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心的何躍輝教授為該論文通訊作者；原中科院上海植物逆境生物學(xué)研究中心博士、現(xiàn)北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院博士后黃飛，北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院研究員羅曉、北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院博士后藕洋和高照旭為論文共同第一作者；唐啟鳴，褚珍珍和中科院分子植物卓越創(chuàng)新研究中心研究員朱新廣參與了該研究并作出了重要貢獻(xiàn)。該研究得到了國家自然科學(xué)基金，北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心及北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院相關(guān)經(jīng)費(fèi)的資助。

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網(wǎng)址: Science：何躍輝團(tuán)隊(duì)揭示全新組蛋白去甲基化酶KGDH活性的調(diào)控機(jī)制 http://m.u1s5d6.cn/newsview460488.html