推荐一篇发表在Nature上的文章，文章标题为“Bidirectional histone monoaminylation dynamics regulate neural rhythmicity”。本文通讯作者是来自美国西奈山伊坎医学院的Ian Maze教授，美国纪念斯隆凯特琳癌症中心的Yael David教授，以及清华大学基础医学院的李海涛教授。本文中，作者通过化学生物学策略，RNA-seq技术以及经典生化方法，成功揭示了组蛋白H3Q5上的组胺化修饰及其在神经节律调控中的独特功能。
组蛋白翻译后修饰（PTMs）是DNA模板化过程中的关键调节机制，PTM的类型鉴定与功能揭示对于染色质功能的解析具有重要意义。近期的研究中，研究者发现，细胞可以在转谷氨酰胺酶2（TG2）的作用下，在组蛋白H3的五号位谷氨酰胺上进行例如五羟色胺化（H3Q5ser）和多巴胺化（H3Q5dop）等单胺类神经递质的修饰，并对邻近H3K4上的三甲基化修饰（H3K4me3）进行调控。然而，此类PTMs的去修饰机制还并不了解。
本文中，作者首先设计并合成了5-羟色胺的类似物探针，对此过程进行了探索。他们发现，在5-羟色胺中的5位羟基上衍生炔丙基并不会影响TG2的识别。因此，他们合成了5-PT探针，并使用此探针来模拟5-羟色胺的修饰。结果显示，在探针标记后，通过“点击”化学反应，可以将荧光基团Cy5连接到H3Q5位，即5-PT探针可以实现有效的标记。随后，他们猜测，TG2对于H3Q5上的单胺化修饰，依赖于硫酯中间体。而这一中间体非常易于被环境中其他亲核基团继续进攻。即，若是环境中存在其他单亲核性胺类物质，其可以快速进攻这一中间体。而若是环境中缺乏额外的亲核性胺类物质，细胞中的水分子可以对其进行进攻，并得到羟基取代的H3Q5E修饰。为了验证这一猜想，他们对其进行了LC–MS的检测，并且其结果与猜想基本一致。这意味着，TG2不但是H3Q5单胺类修饰的修饰酶，同时也是此修饰的去修饰酶或者交换酶。
在此过程中，他们想到组胺同样也是细胞生理过程中常见的单胺类代谢小分子，其是否也能进行类似的修饰？通过对体外和细胞内进行检测后发现，确实存在H3Q5组胺化修饰（H3Q5his），并且此修饰也依赖于TG2酶，也符合上述鉴定机理。随后，研究者对这一新修饰的功能进行进一步探索。考虑到H3Q5位点的修饰功能通常与邻近H3K4me3的沉积、维持和功能相关。因此，他们对H3Q5his的功能进行了表征。通过等温低定量热法和LC-MS/MS等策略，他们意识到，H3Q5his的引入显著抑制了H3与甲基转移酶复合物的结合，尤其是其中WDR5蛋白的结合。通过X射线晶体衍射，他们发现，表现出正电的H3Q5his修饰会与WDR5上的259位赖氨酸发生排斥，而将K259E突变的引入可以有效消除抑制作用的同时，增强H3和WDR5的相互作用。
最后，为了对H3Q5his的生理学功能进行探索，他们在与组胺功能密切联系的下丘脑后结节核（TMN）进行了进一步研究。RNA-seq和免疫印迹结果显示，H3Q5his和H3K4me3Q5his表现出显著节律波动，即在小鼠活跃期最高，在非活跃期最低。而通过突变消除H3Q5his修饰后，小鼠的昼夜节律受到了极大的扰动。上述结果意味着，H3Q5his具有在大脑中调控、维持昼夜节律的能力。综上，作者通过化学生物学和RNA-seq等技术，成功揭示了H3Q5his的存在及其修饰机制，并阐明了其在神经系统与节律调节中的生物学功能，具有重要的意义。为后续单胺类翻译后修饰的研究提供了技术支持的同时，也为此类修饰的直接捕获策略，提供了数据支持。
本文作者：KLH
责任编辑：WYQ
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08371-3
文章引用：10.1038/s41586-024-08371-3
目前评论：