两篇文章带您了解组蛋白修饰！

组蛋白的主要修饰类型有：乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、SUMO化和ADP-核糖化，其中最常见的修饰形式是组蛋白甲基化和乙酰化。组蛋白甲基化和乙酰化状态是否正常通常都会影响各类疾病发生，特别是在肿瘤、免疫等疾病中。

组蛋白甲基化：通过组蛋白甲基转移酶（HMT）将甲基转移至组蛋白突出的“尾巴”中，尤其是N末端的尾巴。组蛋白甲基化通常可发生在精氨酸（R）与赖氨酸（K）残基上，赖氨酸残基可被单甲基化、二甲基化或三甲基化；精氨酸残基则可被单、双甲基化。

组蛋白甲基化修饰既与基因的转录抑制相关，又与转录激活相关，这取决于修饰的不同位点。如转录激活相关的H3K4、K36、K79；转录沉默相关的H3K9、K27、H4K20。

组蛋白乙酰化：通过组蛋白乙酰化转移酶（HAT）将乙酰辅酶A的乙酰基转移到组蛋白氨基末端特定的赖氨酸残基上。组蛋白乙酰化主要通过中和赖氨酸的正电荷从而增加组蛋白末端的黏性，从而促进核小体变得松散，使转录得以发生。所以通常组蛋白乙酰化与转录激活相关，去乙酰则与转录抑制相关。

近年来，表观遗传一直是国自然的热点领域，在2019年的21个国自然研究热点中，表观遗传相关热点就占7个。其中，组蛋白修饰作为基因转录层次调控中重要的一环，已在2019年中标项目中超过80项。而且，组蛋白相关文章的发表数在近几年更是热度未减。

因此，组蛋白修饰作为近几年科学研究热点之一，一定有好多老师特别关注关于组蛋白修饰在文章中的研究思路！今天，小优也找了两篇分别关于组蛋白甲基化和乙酰化的高分文章，那我们一起来解读一下他们的研究思路吧！

Science: Dual Regulation of Histone Methylation by mTOR Complexes Controls Glioblastoma Tumor Cell Growth via EZH2 and SAM

胶质母细胞瘤（GBM）现在仍然是最常见和致命的人类原发性脑肿瘤，开发针对该疾病的疗法依然需要很大程度的努力。

之前研究表明，在包括胶质母细胞瘤在内的癌症中，H3K27me3（H3K27的三甲基化）水平和癌细胞的生存密切相关，这表明H3K27me3是潜在的诊断标志物和干预治疗靶点。此外，一系列研究表明，药理学干扰H3K27甲基化是治疗脑胶质瘤有效的治疗策略。

本研究发现H3K27甲基化可能由mTOR1复合物和mTOR2复合物两条通路途径双重调控，并对其机制进行研究。

最后发现mTOR1复合物和mTOR2复合物的共同抑制剂PP242，可以通过阻断以上两条通路途径，进而抑制胶质母细胞瘤的生长和增值。mTOR1复合物和mTOR2复合物成为抗胶质母细胞瘤的的潜在靶标。

1、在胶质母细胞瘤中H3K27三甲基化和EGFR的激活状态密切相关

图1. EGFR突变和扩增与GBM中H3K27me3有关

激活的EGFR突变体Ⅲ( EGFRvIII )与人GBM组织中H3K27me3的表达密切相关, 而且作者进一步发现EGFR扩增与人类GBM病例H3K27me3表达也呈正相关，提示组蛋白甲基化不一定依赖于突变的具体类型，而是取决于EGFR的激活状态。

那EGFR信号激活和H3K27me3之间的机制是什么呢？

2、在GBM细胞中，两个mTOR 复合物会调控H3K27me3水平

 图2. mTOR复合物调控H3K27的三甲基化

无论在Raptor ( mTORC1 )和Rictor ( mTORC2 )的siRNAs的U87 - EGFRvIII细胞，还是在染慢病毒shRaptor ( shRaptor-1，shRaptor-2 )和shRictor的U87 - EGFRvIII细胞中H3K27me3水平都显著降低，因此，H3K27me3同时受到EGFR信号异常激活下游mTORC1和mTORC2的调控。

3、mTORC1通过调控H3K27特异性甲基转移酶EZH2的翻译来调控H3K27me3水平

图3. mTORC1调控H3K27特异性甲基转移酶EZH2的翻译

Raptor(mTORC1) 敲除的U87 - EGFRvIII细胞中，EZH2表达受到抑制，但是Rictor ( mTORC2 ) 敲除的U87 - EGFRvIII细胞中，EZH2的表达水平确未受到影响。

 用mTORC1的抑制剂雷帕霉素（不同浓度）处理U87 - EGFRvIII细胞48h后，发现EZH2的表达浓度依赖性降低，Raptor cDNA过表达后发现，EZH2增加，另外H3K27me2和me3在Raptor缺失的U87 - EGFRvIII细胞中的减少部分被EZH2的同时过表达恢复。因此，mTORC1是通过组蛋白修饰酶EZH2的翻译调控来促进H3K27me3的表达。

4、mTORC2通过产生S-腺苷蛋氨酸( SAM )促进H3K27的甲基化

图4. mTORC2调控S-腺苷蛋氨酸( SAM )的生成

以上结果发现敲除Rictor，并不能改变EZH2的mRNA转录水平和翻译水平，因此推测，mTORC1和mTORC2是通过不同的机制调控H3K27me3水平。

综合代谢组学分析显示mTORC2抑制导致中间代谢产物发生显著变化，其中组蛋白甲基化的底物S-腺苷蛋氨酸( SAM )的胞内浓度在Rictor敲除的U87 - EGFRvIII细胞中显著降低。

值得注意的是，外源SAM的补充恢复了Rictor基因敲除的U87细胞中的H3K27me3水平。因此，mTORC2通过产生组蛋白甲基化底物SAM来调节GBM细胞中的H3K27me3表达。

以上研究表明mTORC1和mTORC2通过不同机制来调控 H3K27me3的表达水平，而mTORC1和mTORC2是否是通过调控H3K27me3的表达水平来促进GBM细胞的增值呢？

5、mTOR复合物通过诱导H3K27me3促进GBM细胞增殖

图5. mTOR复合物通过诱导H3K27三甲基化促进

GBM细胞增殖

以上研究表明，两个mTORC通过两个独立、两个相互协调的途径调节与H3K27特定组蛋白甲基化相关的信号级联。

通过对针对Paptor、Rictor siRNA的以及同时用GSKJ4处理GBM细胞，测GBM细胞的增值以及死亡数等，结果表明：mTOR复合物使H3K27me3增加，可加速GBM细胞增殖。

6、本文进一步用两个mTOR复合物的共同抑制剂PP242处理GBM细胞，发现其增值受到很好的抑制

图6. 在GBM ( U87 - EGFRvIII )移植小鼠模型中，mTOR复合物的双重抑制剂伴随着EZH2和H3K27me3表达的降低而抑制肿瘤生长

通过建立一个移植的小鼠肿瘤模型，用一种双重mTOR抑制剂( PP242 )进行处理，发现PP242治疗有效地抑制了GBM肿瘤在体内的生长，mTOR标记物、H3K27me3和EZH2表达显著降低。

重要的是，PP242对移植瘤生长的影响部分依赖于H3K27me3的水平，并通过GSKJ4的同时给药证实。这些结果表明mTOR复合物通过诱导H3K27三甲基化促进GBM细胞增殖

本文用到的产品也为大家总结了出来：

Cell Metabolism: Nuclear Glycogenolysis Modulates Histone Acetylation in Human 

Non-Small Cell Lung Cancers

肺癌是全世界最常见的癌症，其中非小细胞肺癌（NSCLC )约占所有肺癌病例的85%。最近的研究发现，在NSCLC中，异常代谢是转化过程中的重要特征，并且有望成为潜在的新的治疗靶点。

本文通过研究发现malin(E3泛素连接酶)通过泛素化GPBB(糖原磷酸化酶),并促进其核转位，进而调控核糖原分解，增加组蛋白乙酰化，从而减少移植到小鼠体内的癌细胞的增值，阐明了细胞代谢物控制表观遗传调控的一种机制。

1、糖原合成发生在非小细胞肺癌细胞核内 

图1. NSCLC中核糖原累积

NSCLC组织中的糖原含量要远远高于肿瘤远端良性组织中的糖原量，高大约10~100倍，而且良性组织中含有可测量的糖源，表明糖原代谢是一种正常细胞中的生理事件。

图2. 核内糖原生物合成

分别用A549的细胞核和全细胞与13C-葡萄糖、13C-葡萄糖-6 -磷酸共同孵育，酸水解后打气相色谱-质谱，发现培养细胞容易利用13C6 -葡萄糖生成核糖原，但是分离的细胞核需要13C6 - G6P作为核糖原合成的底物。

2、核糖原分解依赖于Malin(E3泛素连接酶)调控GPBB（糖原磷酸化酶）的转运

图3. GPBB是Malin的泛素化底物

通过免疫共沉淀和免疫印迹实验，Malin和GPBB之间有相互作用，而且GPBB是Malin的泛素化底物。

图4. Malin促进GPBB的核定位

Malin和GPBB在HEK293细胞中的共表达导致GPBB从细胞质转移到细胞核，而Malin过表达细胞系中的核糖原减少70％；肺癌组织中GPBB大部分分布在胞质中，正常组织中，GPBB大部分分布在胞核中。

突变的Malin样本中，GPBB核转位消失。因此推测我们认为GPBB以Malin依赖的方式转位细胞核，减少的Malin阻碍GPBB向细胞核的转运，导致糖原在细胞核内的积累。

3、核糖原为组蛋白乙酰化提供一个碳源库

图5. 糖原为细胞核中组蛋白乙酰化提供代谢源

葡萄糖-6 -磷酸( G6P )、3 -磷酸甘油酯( 3PG )、丙酮酸都是糖原代谢的中间产物，丙酮酸可提供细胞内的一大部分乙酸盐，乙酸盐是组蛋白乙酰化所必需的。

图6. 体外肺癌细胞组蛋白乙酰化及Malin过表达后表观遗传学改变

过表达Malin的A549细胞表现为核糖原裂解组蛋白乙酰化增加，直接导致表观遗传学改变，200个基因/位点在Malin过表达后发生变化，其中198个基因/位点上调。因此，Malin可促进糖原分解，促进丙酮酸的产生以及组蛋白乙酰化。

NSCLC组织中的糖原含量要远远高于肿瘤远端良性组织中的糖原，Malin促进糖原分解是否可以抑制NSCLC的生长呢？

4、Malin(E3泛素连接酶)的加入抑制了肺癌细胞在体内的生长

图7. 在体内Malin调节核糖原代谢和组蛋白乙酰化

在3种非小细胞肺癌细胞系中Malin过表达促进了GPBB的核转位，促进核糖原的分解，增加了组蛋白H3和H4的乙酰化，显着降低了肿瘤的生长，因此增加Malin的表达丰度，会抑制非小细胞肺癌细胞的生长。

本研究确定了一个分子机制，并发现了核糖原的作用超越了简单的能量缓存，成为乙酰化表观遗传转录调控的底物来源。并将细胞代谢和表观遗传建立了联系，为非小细胞肺癌的治疗提供了又一潜在途径。

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