Science：向前迈进一大步！北京大学何跃辉团队发现组蛋白去甲基化的调控新机制

核小体组蛋白甲基化在真核生物转录调控中起着重要作用。含C结构域组蛋白去甲基化酶(JMJs)动态控制组蛋白甲基化水平。然而，JMJ的活性通常是如何调节的尚不清楚。

2023年7月14日，北京大学何跃辉团队在Science 在线发表题为“Control of histone demethylation by nuclear-localized α-ketoglutarate dehydrogenase” 的研究论文，该研究发现三羧酸循环相关酶α-酮戊二酸(α-KG)脱氢酶(KGDH)进入细胞核，与各种JMJs相互作用，调节JMJs对α-KG依赖性组蛋白的去甲基化，从而控制植物全基因组基因的表达。

该研究发现核靶向受环境信号调控，KGDH在拟南芥中富集于数千个位点。染色质结合的KGDH催化α-KG脱羧，因此可能限制其局部对KGDH偶联的JMJ的可用性，抑制组蛋白去甲基化。因此，该研究结果揭示了JMJs对组蛋白去甲基化的调控机制。

最后，Science 同期还对该文章发表了题为“Metabolic control of transcription”的评述文章，表明光通过核α-酮戊二酸脱氢酶改变植物中的组蛋白甲基化。

核DNA包裹在组蛋白周围形成核小体，核小体构成染色质。在真核生物中，组蛋白的甲基化调节染色质结构、转录和其他基于染色质的过程。组蛋白上常见的甲基化位点包括组蛋白3 (H3)上的赖氨酸4 (K4)、K9、K27、K36和K79以及组蛋白4 (H4)上的K20。组蛋白赖氨酸甲基转移酶(KMT)催化组蛋白上赖氨酸残基的甲基化，而组蛋白赖氨酸去甲基化酶(KDM)则去除甲基。组蛋白甲基化是由KMT和KDM动态改变的，以响应内源性和外部输入。

KDM由两个进化上保守的家族组成，一个是KDM1亚家族中的赖氨酸特异性去甲基化酶(LSD)，另一个是包含Jumonji C (JmjC)结构域的组蛋白去甲基化酶(JMJs、JHDMs或JMJDs)，这是一个由几个亚家族组成的大家族。在哺乳动物中发现了7个亚家族(KDM2至KDM7)。KDM1s催化黄素依赖的单赖氨酸和二甲基赖氨酸残基(包括H3K4和H3K9)的氧化去甲基化。JMJs是α-酮丙二酸(α-KG)/铁(II)依赖的双加氧酶，催化JmjC结构域利用辅底物α-KG和氧来氧化赖氨酸残基上的甲基。JMJs存在于包括动物、植物和真菌在内的大多数真核生物中，在调节基因表达方面发挥着普遍作用。

在拟南芥中，有21个潜在的含有JmjC结构域的组蛋白去甲基化酶。其中，KDM5亚家族成员，包括JMJ14至JMJ18，作为H3K4去甲基化酶，优先将三甲基H3K4去甲基化。相比之下，单甲基和二甲基H3K4通常会被KDM1家族成员去甲基化，其中包括人类赖氨酸特异性去甲基化酶1 (LSD1)的三个拟南芥同源物。KDM3亚家族的6个成员，包括JMJ25/IBM1和JMJ26至JMJ29，具有H3K9去甲基化酶的功能。此外，在拟南芥中发现了哺乳动物KDM4家族的同源物(H3K9/H3K36去甲基化酶)，包括JMJ11/ELF6、JMJ12/REF6和JMJ13，但这些JMJs去甲基化H3K27，并优先选择K27me3。哺乳动物的KDM2 (H3K36去甲基化酶)和KDM6 (H3K27去甲基化酶)亚家族成员尚未在陆生植物中发现。几种JmjC结构域酶或α-KG/Fe(II)依赖性双加氧酶可能介导拟南芥中H3K36的去甲基化，但其活性尚未得到验证。

文章模式图（图源自Science ）

JMJ介导的组蛋白去甲基化需要α-酮戊二酸，这是一种主要由线粒体基质中三羧酸(TCA)循环产生的底物。α-KG由异柠檬酸脱氢酶(IDH)通过异柠檬酸氧化脱羧产生，随后被α-酮戊二酸脱氢酶(α-KGDH)氧化脱羧生成琥珀酰辅酶A和CO2。这两个反应是TCA循环中的限速步骤。KGDH酶复合物由氧戊二酸脱氢酶(OGDH, E1亚基)、二氢脂酰胺琥珀酰转移酶(DLST, E2亚基)和二氢脂酰胺脱氢酶(DLD, E3亚基)三个亚基组成。OGDH、E2和E3分别催化α-KG脱羧、琥珀酰辅酶A生成和二氢脂酰胺脱氢。在拟南芥中，E1亚基OGDH由OGDH1和OGDH2两个基因编码。据报道，假定的OGDH功能丧失突变体(OGDH1和OGDH2功能均丧失)与野生型(WT)相比，细胞总α-KG水平保持不变。因此，KGDH在控制细胞总α-KG水平中的作用尚不清楚。此外，这些假定的双突变体表现出正常的生长发育，只有轻微的表型变化。除了它们在TCA循环中的作用外，KGDHs的生物学功能尚不清楚。

细胞质α-KG分子通过核孔扩散到细胞核中，并作为JMJs组蛋白去甲基化的底物。α-KG是α-KG/Fe(II)依赖性双加氧酶家族的限速底物。目前所检测的包括人KDM4、KDM5和KDM6家族酶在内的JMJs的α-KG的Michaelis常数(Km)值在6~50 μM之间，并在此范围内估计了JMJs的局部生理α-KG浓度。因此，JMJ活性可能对核α-KG浓度的波动很敏感。在小鼠胚胎干细胞中，细胞内α-KG水平的降低降低了jmj对组蛋白去甲基化的速率。α-KG的局部可用性或浓度可能调节核JMJs的活性。

该研究构建了几个α-酮戊二酸脱氢酶(KGDH)缺失的拟南芥突变体，发现KGDH不仅在α-KG的细胞总水平、TCA循环通量和细胞呼吸中起主要作用，而且还调节生长发育的各个方面。KGDH缺陷突变体表现出强效抗氧化剂花青素的积累，发育过渡到开花的实质性延迟，以及茎发育减慢。接下来，使用共聚焦荧光成像，该研究发现一小部分KGDH进入细胞核。这个过程是通过光照来调节的。该研究诱变了KGDH亚基E2中的一个核定位信号，发现线粒体定位的KGDH无法挽救E2突变体的生长和发育异常。

各种组蛋白甲基化标记的生化测量显示，核KGDH似乎抑制了全局组蛋白去甲基化。事实上，进一步的蛋白-蛋白相互作用实验表明，核KGDH直接与多种JMJs相互作用，包括H3K4、H3K9和H3K27的去甲基化酶。

该研究利用RNA测序和染色质免疫沉淀结合DNA测序，探索核KGDH在控制拟南芥全基因组组蛋白甲基化和基因表达中的功能。KGDH被发现占据了数千个位点的基因组区域，与组蛋白甲基化区域相关。转录组学分析显示，在KGDHs缺陷突变体中，数千个基因，特别是环境响应基因被错误调控。α-KG的减少导致JMJ抑制组蛋白去甲基化。该研究进一步设计了KGDH亚基以增强其核靶向性，从而进一步抑制JMJ对组蛋白去甲基化的抑制。此外，该研究发现核KGDH-JMJ组件可以激活或抑制目标位点的表达。

通过蛋白-蛋白相互作用实验，该研究发现人类和小鼠的KGDH亚基的进化保守的羧基末端区域与哺乳动物的JMJs相互作用。因此，KGDH与JMJs的关联在哺乳动物细胞中是保守的，可能在其他真核生物中也是如此。

总之，该研究发现了TCA循环相关的酶KGDH进入细胞核，并且这个过程在植物中受到光的调节。核KGDH与多种JMJs相互作用，催化α-KG氧化脱羧，从而抑制JMJs对α-KG依赖性组蛋白的去甲基化，调控植物全基因组基因表达。在哺乳动物细胞中也发现了核KGDH与JMJs的关联，这表明KGDH可能与JMJs一起控制哺乳动物和植物的组蛋白去甲基化和基因表达。

参考消息：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf8822