Nature重磅+點評丨你的情緒信號或可印記到組蛋白上——首次報道組蛋白五羥色胺化修飾及其生物學功能
撰文丨趙帥（清華大學）
審讀丨李海濤（清華大學）
點評丨藍斐（復旦大學）
責編丨迦漵
近期，Nature雜誌在線發表了來自紐約西奈山伊坎醫學院Maze Ian課題組關於組蛋白五羥色胺化修飾的工作，文章題目為Histone serotonylation is a permissive modification that enhances TFIID binding to H3K4me3。在該項工作中，研究人員鑒定出了組蛋白谷氨醯胺殘基的五羥色胺化修飾（serotonylation of glutamine或5-hydroxytryptamine，5-HT），並闡述了其同基因表達調控間的關係。該工作首次報道了組蛋白的內源單胺化修飾類型，這也是首個報道的非甲基化類的組蛋白谷氨醯胺修飾。該工作同時揭示了五羥色胺在基因表達調控過程中的全新功能，對於深入理解組蛋白修飾調控神經生物學過程有著重要的意義。
受到細胞核內存在遊離的五羥色胺分子和非組蛋白存在五羥色胺化修飾的啟發，研究人員通過生物正交標記的方法合成了propargylated serotonin (5PT，五羥色胺的衍生物，方便在活細胞中遞送)並進行了免疫沉澱實驗。實驗結果顯示組蛋白H3被顯著富集，而組蛋白H2A、H2B和H4沒有被明顯富集。這提示組蛋白H3可能發生五羥色胺化修飾。研究人員進一步檢測了轉胺酶TGM2（transglutaminase 2）對於組蛋白的酶活，發現TGM2可以有效催化組蛋白H3而非H4發生五羥色胺化修飾（BioArt註：事實上非組蛋白的蛋白質五羥色胺化修飾過去有不少報道，轉胺酶TGM2已有報道可以催化某些非組蛋白的五羥色胺化修飾【1-3】）。基於質譜的檢測發現五羥色胺化修飾發生於H3Q5位點，H3Q5A突變體則不能被TGM2有效催化。
鑒於H3Q5ser修飾緊鄰H3K4me3修飾位點，研究人員進一步研究了兩種修飾間的組合調控。首先，研究人員發現H3K4me3修飾不會影響TGM2體外產生H3Q5ser的活力，而H3Q5ser修飾也不會影響MLL1體外產生H3K4me3的活力。然後，研究人員在哺乳細胞和組織中都檢測到了H3K4me3Q5ser雙修飾的存在。其中，在腦、腸道、心臟、血液（PBMCs）和睾丸等器官可以檢測到雙修飾的強信號。之後，在hPSC-derived五羥色胺神經元和RN46A-B14細胞系中，研究人員發現了細胞分化前後H3K4me3Q5ser修飾水平發生了巨大的改變。其中，RN46A-B14細胞系誘導分化後H3K4me3單修飾水平沒有發生顯著變化而H3K4me3Q5ser雙修飾水平明顯提升，雙修飾水平提升的區域多位於基因的啟動子區域。通過差異基因表達的分析研究人員認為H3K4me3Q5ser屬於一類permissive的修飾。異位整合H3Q5A的細胞則出現H3K4me3Q5ser修飾靶向區域的表達異常以及細胞分化的缺陷。通過對於H3K4me3Q5ser雙修飾多肽和H3K4me3單修飾多肽的pull-down結果比較研究人員發現，通用轉錄因子複合物TFIID complex中15個成員表現出對雙修飾多肽的偏好性，暗示了TFIID複合物對於H3K4me3Q5ser雙修飾的調控作用。
總體而言，該工作首次發現組蛋白的五羥色胺化修飾，並闡述了H3K4me3Q5ser組合修飾在基因表達調控中的作用，為基於組蛋白修飾的表觀遺傳調控提供了全新的視角。但顯然，該工作還僅僅是一個新穎的開端，基於單胺類神經遞質的組蛋白修飾依然存在大量懸而未決的科學問題。例如，是否存在H3Q5ser特異性的識別/調控蛋白、H3K4me3Q5ser雙修飾同H3K4me3單修飾的比例以及五羥色胺水平異常時表觀遺傳調控的改變等。值得注意的是，除五羥色胺外，多巴胺和組胺等單胺類分子也可能修飾組蛋白，這些種類繁多的單胺類分子會如何參與表觀遺傳學調控也亟待進一步的研究。
值得一提的是，本文的通訊作者Maze Ian是知名的神經生物學家Eric J. Nestler的博士，有著非常好的神經生物學背景的training，博士畢業後到David Allis實驗室做博後，主要從神經生物學的角度研究染色質相關調控。從2014年起，Maze Ian在紐約西奈山伊坎醫學院獨立，現為神經生物學系教授。今日報道的這篇Nature工作是Maze Ian博士努力5年多的結果，整個工作從設想到最終完成得到了包括Robert G. Roeder等多個領域傑出科學家的幫助。Maze Ian博士現在是染色質調控與神經生物學領域才華橫溢的年輕科學家，未來他還有很多值得期待的工作。
代表性工作：
Maze, I., Covington, H. E., Dietz, D. M., LaPlant, Q., Renthal, W., Russo, S. J., ... & Ren, Y. (2010). Essential role of the histone methyltransferase G9a in cocaine-induced plasticity. Science, 327(5962), 213-216.
Maze, I., Feng, J., Wilkinson, M. B., Sun, H., Shen, L., & Nestler, E. J. (2011). Cocaine dynamically regulates heterochromatin and repetitive element unsilencing in nucleus accumbens. PNAS, 108(7), 3035-3040.
Maze, I., Chaudhury, D., Dietz, D. M., Von Schimmelmann, M., Kennedy, P. J., Lobo, M. K., ... & Turecki, G. (2014). G9a influences neuronal subtype specification in striatum.Nature neuroscience, 17(4), 533.
Maze, I., Shen, L., Zhang, B., Garcia, B. A., Shao, N., Mitchell, A., ... & Nestler, E. J. (2014). Analytical tools and current challenges in the modern era of neuroepigenomics. Nature neuroscience, 17(11), 1476.
Maze, I., Noh, K. M., Soshnev, A. A., & Allis, C. D. (2014). Every amino acid matters: essential contributions of histone variants to mammalian development and disease.Nature Reviews Genetics, 15(4), 259.
Maze, I., Wenderski, W., Noh, K. M., Bagot, R. C., Tzavaras, N., Purushothaman, I., ... & CD Allis (2015). Critical role of histone turnover in neuronal transcription and plasticity. Neuron, 87(1), 77-94.
Farrelly LA, Thompson R, Zhao S, Lepack AE, Lu Y, Bhanu NV, Zhang B, Loh Y-HE,Ramakrishnan A, Nakadai T, Bastle RM, Lukasak BJ, Zebroski III H, Alenina N, Bader M,Berton O, Roeder RG, Molina H, Shen L, Li H, Garcia BA, Li H, Muir TW, Maze I.Glutamine 5 serotonylation in histone H3 is a permissive modification that functions
combinatorially with H3K4me3 to potentiate gene expression. Nature 2019
———————————————— 專家點評 —————————————————
藍斐（復旦大學生物醫學研究院教授）
5-羥色胺是廣泛研究的神經遞質，是一種可產生愉悅情緒的信使分子。最初在血清中被發現，可以通過醯胺健共價鍵偶聯到多類蛋白質上。而這項研究，可以說是「突破性」的發現染色質中的組蛋白H3Q5位的谷氨醯胺殘基也可同樣的被修飾加上5-羥色胺分子，且可協同臨近的H3K4三甲基化招募TFIID轉錄起始複合體促進下游轉錄發生。重要的是，這類新組蛋白修飾在分化後的神經元中富集在數千個基因的啟動子區，但在分化前體細胞中基本沒有富集，提示了其動態調控與神經細胞分化狀態有關。
多年來，學界一直很關注表觀遺傳機制參與腦活動的可能機制，而這項研究提示調節神經元活力的5-羥色胺分子可通過修飾組蛋白調控神經元的基因轉錄活性，從而可認為組蛋白也可作為5-羥色胺受體直接響應神經活動。更簡單的描述就是「快樂或抑鬱的信號可直接印記到組蛋白分子上，從而控制神經元染色質的活力」。想像一下，你在快樂或抑鬱時，你腦細胞中組蛋白可能正在被不同的神經遞質動態修飾，而相應的基因轉錄活性也正在開啟或關閉。這樣的工作的重要性是不言而喻的。
值得一提的是，5-羥色胺在體內也僅是帶有胺基團的多類神經遞質分子之一，因此未來在組蛋白以及其它表觀遺傳因子上可能會發現更多的類似修飾，也可能存在對應的擦除它們的酶類。此類研究將拓展我們對錶觀遺傳動態調控範疇的認知，是表觀遺傳領域的一片新天地。
製版人：子陽
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-019-1024-7
致謝：感謝清華大學李海濤教授審閱全文並提出了許多寶貴的意見。
參考文獻
1、 Walther, D. J. et al. Serotonylation of small GTPases is a signal transduction pathway that triggers platelet α-granule release. Cell 115, 851–862 (2003).
2、 Watts, S. W., Priestley, J. R. & Thompson, J. M. Serotonylation of vascular proteins important to contraction. PLoS ONE 4, e5682 (2009).
3、 Hummerich, R., Thumfart, J. O., Findeisen, P., Bartsch, D. & Schloss, P. Transglutaminase-mediated transamidation of serotonin, dopamine and noradrenaline to fibronectin: evidence for a general mechanism of monoaminylation. FEBS Lett. 586, 3421–3428 (2012).
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