基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院王玉剛教授課題組和郭雨松教授課題組近年來致力于組蛋白修飾及其分子基礎(chǔ)的相關(guān)研究。他們認(rèn)為KAT2A選擇酰基CoA受到酰基鏈的長度和靜電特性以及KAT2A的替代底物結(jié)合口袋的共同影響，為KAT2A選擇酰基CoA揭示了重要的分子基礎(chǔ)。相關(guān)研究結(jié)果以“Molecular Basis of KAT2A Selecting Acyl-CoA Cofactors for Histone Modifications”為題發(fā)表在Research上。

作為一種重要的表觀調(diào)控機(jī)制，組蛋白翻譯后修飾可以調(diào)節(jié)包括基因轉(zhuǎn)錄、染色質(zhì)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)、DNA損傷修復(fù)、氧化應(yīng)激、細(xì)胞代謝、細(xì)胞周期、衰老、血管生成等關(guān)鍵的生物學(xué)過程。異常的修飾可導(dǎo)致腫瘤、代謝性疾病、自身免疫性疾病等。組蛋白乙酰化修飾是最早被發(fā)現(xiàn)且目前研究最為廣泛的組蛋白翻譯后修飾之一。近十年來，隨著基于質(zhì)譜技術(shù)的蛋白質(zhì)組學(xué)的發(fā)展，新型的組蛋白賴氨酸酰基化修飾被陸續(xù)鑒定出來，包括丙酰化、丁酰化、丙二酰化、琥珀酰化、戊二酰化、巴豆酰化和2-羥基異丁酰化等。短鏈酰基CoA是組蛋白酰化修飾反應(yīng)的修飾基團(tuán)供體，由于短鏈酰CoA分子之間的化學(xué)結(jié)構(gòu)相似性，越來越多的研究提出并證明乙酰轉(zhuǎn)移酶利用不同的酰基CoA 催化多種類型的組蛋白酰化修飾。賴氨酸乙酰轉(zhuǎn)移酶2A（KAT2A，也稱為GCN5）是GCN5相關(guān)N-乙酰轉(zhuǎn)移酶（GNAT）超家族的成員。研究表明KAT2A具有組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶（HAT）、琥珀酰轉(zhuǎn)移酶、丙酰轉(zhuǎn)移酶和丁酰轉(zhuǎn)移酶的活性，是一種多能組蛋白酰基轉(zhuǎn)移酶。然而，KAT2A選擇酰基CoA底物進(jìn)行組蛋白修飾的分子基礎(chǔ)尚不明確。

在之前的研究中他們證明琥珀酰CoA和乙酰CoA在KAT2A的催化域中占據(jù)相似的結(jié)合位點(diǎn)，琥珀酰CoA末端指向一段柔性結(jié)構(gòu)loop3的末端，loop3中的第645位酪基酸殘基（Tyr645）在KAT2A對琥珀酰CoA和乙酰CoA的選擇性結(jié)合中發(fā)揮重要作用。以往的研究認(rèn)為酰基鏈較長、帶電荷或帶支鏈的酰基CoA被酰基轉(zhuǎn)移酶利用的效率較低。然而，琥珀酰CoA是一種帶電和支鏈的酰基CoA，但KAT2A的琥珀酰轉(zhuǎn)移酶活性比其乙酰轉(zhuǎn)移酶活性更高。雖然琥珀酰CoA比丙二酰CoA大，但KAT2A可以利用琥珀酰CoA而不是丙二酰CoA來修飾核小體（圖1）。這表明，KAT2A在選擇酰基CoA底物方面有一個(gè)替代機(jī)制。

根據(jù)酰基鏈的末端是否有一個(gè)羧基，所研究的酰基CoA被分成兩類：乙酰CoA、丙酰CoA和丁酰CoA是I型CoA分子；丙二酰CoA、琥珀酰CoA和戊二酰CoA是II型CoA分子。他們發(fā)現(xiàn)上述酰基CoA分子都結(jié)合于同一個(gè)底物結(jié)合口袋（圖2），都有可能被KAT2A利用來修飾組蛋白。那么KAT2A是如何選擇酰基CoA進(jìn)行組蛋白修飾的呢？

根據(jù)高分辨率結(jié)構(gòu)信息，他們提出了酰基鏈翻轉(zhuǎn)和替代口袋機(jī)制解釋丙酰化和丁酰化的發(fā)生。琥珀酰-CoA是II型CoA分子中的一個(gè)例外。琥珀酰基末端的羧基與KAT2A的Tyr645形成氫鍵，這可能使羧基的電子密度重新分配到Tyr645殘基上，從而阻止琥珀酰基與底物賴氨酸殘基中帶正電的ε-氨基之間的靜電作用，使琥珀酰基鏈類似于中性酰基鏈，因此能夠被翻轉(zhuǎn)到替代口袋中進(jìn)行琥珀酰化過程（圖3）。而丙二酰CoA和戊二酰CoA的酰基鏈長短不合適，無法與Tyr645殘基形成氫鍵，因此丙二酰/戊二酰CoA與賴氨酸殘基之間的靜電作用阻止了丙二酰/戊二酰化。他們認(rèn)為KAT2A選擇酰基CoA受到酰基鏈的長度和靜電特性以及KAT2A的替代底物結(jié)合口袋的共同影響，為KAT2A選擇酰基CoA揭示了重要的分子基礎(chǔ)。

酰基CoA類代謝物是細(xì)胞代謝過程中重要的物質(zhì)和能量傳遞媒介，同時(shí)也作為賴氨酸酰基化修飾基團(tuán)供體，廣泛地參與細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的翻譯后修飾過程，將細(xì)胞的代謝狀態(tài)“翻譯”成細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)修飾圖譜，進(jìn)而反饋調(diào)控細(xì)胞的代謝網(wǎng)絡(luò)。在本研究中，他們發(fā)現(xiàn)KAT2A能夠通過發(fā)揮酰化修飾功能調(diào)控相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄，進(jìn)而影響細(xì)胞脂質(zhì)代謝。組蛋白的酰化修飾受酰基CoA濃度調(diào)節(jié)。當(dāng)細(xì)胞出現(xiàn)糖脂代謝異常時(shí)，KAT2A通過其多能酰基轉(zhuǎn)移酶活性接收多種異常酰基CoA代謝產(chǎn)物的信號(hào)并將其“翻譯”為體內(nèi)多種組蛋白酰基化修飾圖譜，并通過在多個(gè)基因的啟動(dòng)子區(qū)域催化不同種組蛋白酰基化修飾來調(diào)控基因表達(dá)進(jìn)而調(diào)控細(xì)胞的代謝狀態(tài)（圖4），與疾病的發(fā)生和進(jìn)展密切相關(guān)。

這項(xiàng)研究證實(shí)了細(xì)胞代謝與組蛋白酰化修飾存在調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，但二者之間具體的聯(lián)系目前并不明確。例如：在不同的代謝狀態(tài)下，各種酰基CoA所占的比例、KAT2A對酰基CoA的偏好性以及如何對組蛋白賴氨酸殘基進(jìn)行精準(zhǔn)修飾進(jìn)而調(diào)控基因表達(dá)？各種短鏈酰基CoA如何進(jìn)入細(xì)胞核？對于異常酰基化修飾導(dǎo)致的疾病，是否可通過精準(zhǔn)干擾相應(yīng)酰基CoA的合成（入核）或分解達(dá)到治療疾病的效果？因此，組蛋白酰化修飾的功能、調(diào)節(jié)機(jī)制及代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)值得更深入的研究，這將為相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)制及治療提供新的見解。