研究揭示组蛋白巴豆酰化在人类胚胎干细胞分化中的关键作用

来源：精准医学与蛋白组学

细胞代谢不仅可以提供细胞生长所需的基本能量及物质，还会产生许多修饰组蛋白的代谢中间体，影响细胞的表观遗传和基因表达。因此，通过对特定生物过程的代谢变化及其作用机理的研究，能为我们提供干预该过程的分子机制。

组蛋白巴豆酰化修饰（crotonylation, Kcr），在2011年由芝加哥大学赵英明教授团队在顶级期刊Cell杂志首次报道 [1]，并被Cell 杂志评选为2011年表观遗传领域的研究亮点。随着研究的不断深入，越来越多的结果表明，赖氨酸巴豆酰化修饰参与的基因表达调控以及非组蛋白的Kcr修饰和功能，与多种生理病理过程密切关联。

2021年1月14日，美国国立卫生研究院（NIH）环境健康科学研究所李小玲团队，联合芝加哥大学赵英明教授等，在Cell Stem Cell 在线发表了题为“Histone crotonylation promotes mesoendodermal commitment of human embryonic stem cells”的最新研究成果[3]。研究揭示了短链脂肪酸代谢产生的中间产物巴豆酰辅酶A可用于修饰组蛋白，进而促进胚胎干细胞向中内胚层分化的具体机制，为代谢调节细胞分化的分子机制提供了新的线索和理论基础。景杰生物为该研究的特异性巴豆酰化、乙酰化、丁酰化等抗体及技术服务提供支持。

胚胎发育的过程，首先是胚胎干细胞分化为内、中、外三个胚层，再由这三个胚层分化发育为全身各器官及组织。在代谢方面，糖酵解是胚胎干细胞和外胚层的基础，氧化磷酸化是中内胚层的基础。有研究表明，糖酵解产生的乙酰辅酶A可以通过提高H3K27ac和H3K9ac水平，促进维持干细胞多能性的基因表达 [2]，但是目前尚不清楚，氧化磷酸化是否对中内胚层的分化具有直接的影响。

研究首先将人类胚胎干细胞诱导分化成三个胚层，发现产生巴豆酰辅酶A的三种酶在分化后的中内胚层细胞中表达量增加。其中，ACSS2催化了巴豆酸辅酶A，ACADS和ACOX3分别催化了线粒体和过氧化物酶体中脂肪酸的氧化降解。

通过进一步的ChIP-seq分析，研究人员将诱导干细胞分化为内胚层细胞，发现组蛋白Kcr在内胚层基因的启动子/增强子上显著富集，并且其富集的程度与基因表达正相关。然而，当分别敲除这三种酶后，组蛋白Kcr的水平明显降低，并且内胚层细胞的分化受到抑制，同时外胚层的分化得到促进。值得注意的是，细胞在孵育巴豆酸后，不仅促进了野生型干细胞分化为内胚层细胞，还可以完全重塑由于ACADS/ACOX3敲除所造成的Kcr水平下降和向内胚层分化的缺陷，这表明脂肪酸代谢生成巴豆酰辅酶A，是分化成内胚层细胞所必需的。

图2  内胚层分化与组蛋白巴豆酰化增强有关

接下来，研究者使用氨基酸在细胞培养中进行SILAC稳定同位素标记的定量蛋白质组学技术发现了两个只在分化的内胚层细胞特有的组蛋白巴豆酰化位点，将其分别突变，会抑制内胚层细胞的分化，这证明组蛋白巴豆酰化是内胚层分化的必要条件。

图3  组蛋白巴豆酰化对胚胎干细胞中内胚层分化起促进作用

综上所述，研究首次揭示了脂肪酸代谢产生的代谢中间产物可修饰组蛋白，进而调节基因表达、决定细胞命运，同时证明了组蛋白巴豆酰化调节细胞分化的具有作用机制。该研究为中内胚层细胞分化研究提供了坚实的理论基础，并为其在干细胞疗法中的应用提供了新的线索。