組蛋白修飾攜帶著關(guān)鍵表觀遺傳信息，該信息的解碼過程往往依賴于“閱讀器”（reader）蛋白對修飾的正確解讀。組蛋白苯甲?；揎棧↘bz）是新近鑒定的一類賴氨酸酰基化修飾類型，其廣泛分布于組蛋白的柔性尾巴并調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄1。

有趣的是，苯甲酸鈉（NaBz）作為Kbz的上游供體是FDA批準的食品防腐劑，普遍存在于酒水飲料、蜜餞、泡菜、醬類、餅干、奶油等各類包裝食品中；同時，NaBz也是治療急性高血氨的藥物，當病人進行高劑量NaBz靜脈注射時，其血漿內(nèi)的苯甲酸鈉濃度可高達10 mM 2；另外，不同于其他脂肪族鏈狀?；揎棧郊柞］o酶A（benzoyl-CoA）是細胞或者細菌，包括腸道菌群，代謝芳香環(huán)化合物所產(chǎn)生的中間產(chǎn)物，提示組蛋白苯甲?；揎楉憫?yīng)不同的細胞代謝通路3。組蛋白苯甲?；揎検俏ㄒ缓蟹枷悱h(huán)的?；揎楊愋?，其獨特的苯環(huán)結(jié)構(gòu)賦予了Kbz更大的體積和更強的疏水性質(zhì)。那么，哪些家族蛋白是Kbz修飾的閱讀器呢？飲食攝入或者細胞代謝產(chǎn)生的NaBz信號分子能否沉積于染色質(zhì)進而發(fā)揮特定生物學功能呢？

清華大學醫(yī)學院李海濤課題組首次報道組蛋白苯甲酰化閱讀器并闡釋分子識別機制-肽度TIMEDOO
2020年12月8日，清華大學醫(yī)學院李海濤教授課題組針對這些問題在Nucleic Acids Research雜志在線發(fā)表最新研究成果：“Histone benzoylation serves as an epigenetic mark for DPF and YEATS family proteins”（組蛋白苯甲?；荄PF和YEATS家族蛋白的表觀識別記號）。此項工作首先鑒定出DPF家族和YEATS家族，而非Bromo家族成員，是組蛋白苯甲?；揎楅喿x器；隨后利用結(jié)構(gòu)生物學手段闡釋了 DPF家族識別Kbz的“疏水封裝”(hydrophobic encapsulation)機制，以及YEATS家族識別Kbz的“頂端感觸”（tip-sensor） 機制。特別值得一提的是，調(diào)控核糖體基因表達的關(guān)鍵表觀因子YEATS2偏好識別苯甲?；揎棧ū纫阴；瘡?倍，巴豆酰化強2倍），提示YEATS2的閱讀器口袋呈現(xiàn)出朝向苯甲酰化修飾識別的設(shè)計與進化4,5；此外，本研究還發(fā)現(xiàn)組蛋白苯甲?；揎椌哂袆討B(tài)誘導屬性，細胞及小鼠的組蛋白修飾譜均可正向響應(yīng)培養(yǎng)液或飲食中苯甲酸鹽的添加。

為了探尋組蛋白Kbz修飾這一“表觀密碼”的解碼因子，科研人員首先對人源三大組蛋白?；喿x器家族進行了系統(tǒng)性篩選，確定了DPF和YEATS結(jié)構(gòu)域是Kbz的閱讀器。同時，他們還對兩大家族蛋白結(jié)合Kbz的能力進行了家族成員間的橫向比較以及修飾間（乙?；投辊；bz）的縱向比較。實驗結(jié)果表明，DPF家族成員整體展現(xiàn)出Kcr>Kac~Kbz的識別特點；YEATS家族對Kbz的識別則存在顯著的成員特異性，比如，AF9對Kbz修飾存在最差的識別偏好性（Kcr>Kac>Kbz），而YEATS2則對Kbz展現(xiàn)出了最佳的偏好識別（Kbz>Kcr>Kac）。

接下來，為了闡釋DPF和YEATS家族成員差異識別Kbz的分子機制，研究人員通過晶體結(jié)構(gòu)解析手段分別獲得了MOZDPF，AF9YEATS，YEATS2YEATS與其對應(yīng)底物多肽（分別為H3K14bz，H3K9bz，H3K27bz）的復(fù)合物結(jié)構(gòu)。高分辨率結(jié)構(gòu)分析表明，DPF家族采用抬高多肽主鏈和調(diào)整結(jié)合口袋的“疏水封裝”機制對Kbz進行識別；YEATS家族采用“頂端感觸” 機制實現(xiàn)對Kbz修飾選擇性識別，即閱讀器口袋中臨近?；揎楉敹说陌被岵町悰Q定了不同YEATS家族蛋白的修飾偏好性。基于結(jié)構(gòu)分析的突變體實驗充分證明了上述識別原理。值得注意的是研究人員成功設(shè)計出一個功能獲得性突變體MOZ（L242I），其可以更偏好識別Kbz修飾（Kbz>Kcr>Kac），為將來的功能研究提供了新工具。

已有研究發(fā)現(xiàn)NaBz可減少小膠質(zhì)細胞和星形膠質(zhì)細胞的炎癥反應(yīng)，上調(diào)星形膠質(zhì)細胞和神經(jīng)元中神經(jīng)保護蛋白DJ-1的表達，并可誘導結(jié)腸癌細胞的凋亡6-8。另有研究發(fā)現(xiàn)NaBz刺激可引發(fā)斑馬魚的發(fā)育缺陷以及類似焦慮等行為的異常，可導致小鼠產(chǎn)生劑量依賴的記憶力衰退現(xiàn)象；另外，一項針對大學生的研究發(fā)現(xiàn)，大量攝入富含NaBz的飲料后會出現(xiàn)注意力障礙性多動癥的癥狀（ADHD）9-11。雖然這些文章都對NaBz帶來的下游效應(yīng)進行了研究和描述，但是它們的分子機理還有待進一步明確。李海濤課題組利用細胞和小鼠飼喂模型發(fā)現(xiàn)組蛋白苯甲?；揎椖軌虮籒aBz誘導上調(diào)。在接近0.1%的食品防腐劑使用濃度（10 mM）水平，培養(yǎng)液中或飲水中添加的NaBz可以顯著提升細胞或小鼠小腸上皮細胞中的組蛋白苯甲?；揎椝剑绕涫荋3和H2B核心組蛋白。這些結(jié)果為已有NaBz功能表型的背后機制研究提供了新線索。

綜上所述，李海濤課題組首次系統(tǒng)性鑒定了組蛋白苯甲?；揎椀拈喿x器，詳盡地闡釋了DPF和YEATS結(jié)構(gòu)域差異識別Kbz的分子機制，為進一步解析組蛋白苯甲酰化修飾的生物學功能奠定了理論基礎(chǔ)。

清華大學醫(yī)學院李海濤課題組首次報道組蛋白苯甲酰化閱讀器并闡釋分子識別機制-肽度TIMEDOO
DPF/YEATS家族識別誘導性組蛋白苯甲?；揎椊閷Щ虮磉_
此科研成果在清華大學醫(yī)學院完成。李海濤教授為通訊作者，任祥樂博士為第一作者，醫(yī)學院博士研究生周洋同學、郝寧同學，以及美國Van Andel Institute薛兆玉博士對本研究做出了重要貢獻。本工作還得到了Van Andel Institute的石曉冰教授、醫(yī)學院郭曉歡助理教授、李元元副研究員、王大亮副教授的指導與支持。該課題也得到了自然科學基金委和科技部重點研發(fā)計劃的支持，數(shù)據(jù)收集得到上海同步輻射光源和清華大學X-ray晶體學平臺的大力支持與協(xié)助。
原文鏈接
https://doi.org/10.1093/nar/gkaa1130
?參考文獻
1.??Huang,H., Zhang,D., Wang,Y., Perez-Neut,M., Han,Z., Zheng,Y.G., Hao,Q. and Zhao,Y. (2018) Lysine benzoylation is a histone mark regulated by SIRT2. Nat. Commun., 9, 3374.

2.??Praphanphoj, V., Boyadjiev, S.A., Waber, L.J., Brusilow, S.W. and Geraghty, M.T. (2000) Three cases of intravenous sodium benzoate and sodium phenylacetate toxicity occurring in the treatment of acute hyperammonaemia. J Inherit Metab Dis, 23, 129-136.

3.? Porter, A.W. and Young, L.Y. (2014) Benzoyl-CoA, a universal biomarker for anaerobic degradation of aromatic compounds. Adv Appl Microbiol, 88, 167-203.

4.????Mi, W., Guan, H., Lyu, J., Zhao, D., Xi, Y., Jiang, S., Andrews, F.H., Wang, X., Gagea, M., Wen, H. et al. (2017) YEATS2 links histone acetylation to tumorigenesis of non-small cell lung cancer. Nat Commun, 8, 1088.

5.?? Zhao, D., Li, Y., Xiong, X., Chen, Z. and Li, H. (2017) YEATS Domain-A Histone Acylation Reader in Health and Disease. J Mol Biol, 429, 1994-2002.

6.??Brahmachari,S., Jana,A. and Pahan,K. (2009) Sodium benzoate, a metabolite of cinnamon and a food additive, reduces microglial and astroglial inflammatory responses. J. Immunol., 183, 5917–5927.

7.??Khasnavis,S. and Pahan,K. (2012) Sodium benzoate, a metabolite of cinnamon and a food additive, upregulates neuroprotective Parkinson disease protein DJ-1 in astrocytes and neurons. J. Neuroimmun. Pharmacol., 7, 424–435.

8.? Yilmaz,B. and Karabay,A.Z. (2018) Food Additive Sodium Benzoate (NaB) activates NFkappaB and induces apoptosis in HCT116 Cells. Molecules, 23, 723.

9.??Khoshnoud,M.J., Siavashpour,A., Bakhshizadeh,M. and Rashedinia,M. (2018) Effects of sodium benzoate, a commonly used food preservative, on learning, memory, and oxidative stress in brain of mice. J. Biochem. Mol. Toxic., 32, e22022.

10.?Gaur,H., Purushothaman,S., Pullaguri,N., Bhargava,Y. and Bhargava,A. (2018) Sodium benzoate induced developmental defects, oxidative stress and anxiety-like behaviour in zebrafish larva. Biochem. Biophys. Res. Commun., 502, 364–369.

11.?Beezhold,B.L., Johnston,C.S. and Nochta,K.A. (2014) Sodium benzoate-rich beverage consumption is associated with increased reporting of ADHD symptoms in college students a pilot investigation. J. Atten. Disord., 18, 236–241.

來源：清華大學