邹文安
景杰编者按：
组蛋白的酰化修饰及其调控是表观遗传研究的热点之一。目前的研究集中鉴定酰基转移酶（writer）、去酰化酶（eraser），但是对识别修饰的阅读蛋白（reader）研究不多。日前，香港大学的郝权课题组在著名学术期刊Proceedings of the National Academy of Sciences上报道了一种组蛋白Ksucc阅读蛋白GAS41【1】。GAS41蛋白YEATS domain能够显著结合H3K122succ。同时还发现GAS41在不同pH条件下，其识别不同的组蛋白酰化修饰类型：在H3K122suc与H3K122cr阅读器的角色中切换。该项工作填补了组蛋白Ksucc阅读器蛋白研究方面的空白，发现蛋白阅读器调控酰化修饰的新机理，也揭示GAS41潜在的表观调控功能。
Ksucc最早由芝加哥大学赵英明教授实验室发现【2】，组蛋白Ksucc是由p300作为琥珀酰转移酶进行添加，而近期在Nature上报道的一篇文章进一步发现GCN5家族乙酰基转移酶KAT2A与酮戊二酸脱氢酶α-KGDH结合，行使琥珀酰转移酶活性，调控H3K79琥珀酰化修饰水平，进而调控基因表达，在肿瘤发生中发挥重要功能【3】。
在去琥珀酰化修饰方面，已报道的去琥珀酰化酶的研究有SIRT5：分别由芝加哥大学赵英明教授课题组【4】、康奈尔大学林和宁教授、香港大学郝权教授报道【5】。该酶同时具有去琥珀酰化和去丙二酰化的活性，广泛参与代谢途径酶的调控。景杰生物和北京大学尚永丰院士、俞文华教授合作报道了Sirt家族成员SIRT7具有组蛋白去琥珀酰化修饰活性，通过调控H3K122位点去琥珀酰化作用，参与DNA损伤修复，进而影响基因组稳定性【6】。
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关键词：琥珀酰化、巴豆酰化、表观遗传、YEATS domain、GAS41、修饰识别蛋白
研究思路和成果：
YEATS domain蛋白AF9已被报道具有组蛋白巴豆酰化识别活性，能够特异性识别H3K18cr，并且调控炎症相关基因转录激活。研究者通过对YEATS domain进行结构解析，比较了具有YEATS domain的多个蛋白结构差异，最终发现几个关键氨基酸残基可能是结合酰化修饰类型的重要位点，不同蛋白在这些位点的差异可能影响到其结合的酰化修饰类型，研究者锁定了在YEATS domain中具有亲水带正电基团His43的GAS41，预测该组氨酸残基能够在酸性环境下发生质子化并带正电，结合结构建模分析认为GAS41蛋白以及其酵母同源物Yaf9能够特异性识别带负电的酰化修饰如Ksucc因此猜测蛋白周围的pH通过影响GAS41关键氨基酸的电离状态，从而影响其和Ksucc的亲和力（图1）。
图1. 比较多种YEATS domain蛋白序列保守性，发现识别Kcr的AF9蛋白关键位点为疏水性苯丙氨酸，识别Khib的YEATS2蛋白该位点为亲水性丝氨酸，而GAS41与Yaf9则是带正电的组氨酸残基。
为了验证该假说，研究者进行了肽段筛选试验，在不同pH条件下研究GAS41、Yaf9对不同组蛋白Ksucc位点的结合能力：在pH6.0的弱酸性环境下，GAD41和Yaf9具有较强的Ksuc结合能力，其中对H3K122suc的结合相较于其他位点更强，同时相对于其他酰化修饰类型，如乙酰化、巴豆酰化，同样具有更强的结合琥珀酰化修饰的能力，说明该位点可能是潜在的GAS41和Yaf9特异性识别位点（图2）。
图2. 体外肽段结合实验证明GAS41和Yaf9在酸性环境下对H3K122suc具有较强的结合能力。
接下来，研究者在HeLa细胞中验证GAS41的H3K122suc结合活性，通过Western blot实验，证明了野生型GAS41相较于H43F突变型GAS41有更强的H3K122suc结合能力，同时ChIP-qPCR实验也证明了GAS41与H3K122suc位点在基因上的富集区域存在一定的重叠，相关数据证明GAS41在细胞中能够作为组蛋白琥珀酰化修饰识别蛋白发挥功能，（相关实验中应用了景杰生物独家开发的高质量H3K122suc位点特异性琥珀酰化修饰抗体PTM-413）。
图 3. Western blot实验证明GAS41蛋白在细胞中能够结合H3K122琥珀酰化修饰，同时ChIP-qPCR实验证明GAS41蛋白与H3K122suc在p21基因启动子区域共富集。
最后，为了进一步揭示GAS41与Ksuc结合的分子细节，研究者成功解析了GAS41和Yaf9蛋白YEATS结构域与H3K122suc肽段结合复合体的晶体结构（图4）。两类蛋白具有高度相似的典型YEATS结构域，其中GAS41蛋白H43残基在Yaf9蛋白中高度保守，通过组氨酸质子化后带正电的特性，使GAS41和Yaf9蛋白YEATS结构域具有特异性结合H3K122suc的能力。
图4. GAS41和Yaf9蛋白YEATS结构域与H3K122suc肽段结合复合体的晶体结构
该项研究成果证明了YEATS domain蛋白GAS41对H3K122suc的结合能力，同时，GAS41在不同pH水平变化情况下，其修饰识别功能在H3K122suc与H3K122cr之间转换，揭示了细胞内环境pH变化能够通过调控GAS41组蛋白酰化修饰识别功能（Ksucc和Kcro），通过表观调控方式改变基因表达模式，为进一步深入研究组蛋白酰化修饰以及其为代表的“组蛋白密码”功能提供新的视角。
参考文献：
【 1 】 Yi Wang, et al., (2018), Identification of the YEATS domain of GAS41 as a pH-dependent reader of histone succinylation. PNAS 201717664.
【2】Zhihong Zhang, et al., (2011), Identification of lysine succinylation as a new post-translational modification. Nat. Chem. Biol. 7, 58-63.
【3】Yugang Wang, et al. (2017), KAT2A coupled with the α-KGDH complex acts as a histone H3 succinyltransferase. Nature 552, 273-277.
【4】Chao Peng, et al., (2011),The first identification of lysine malonylation substrates and its regulatory enzyme. Mol. Cell. Proteomics 10, M111.012658.
【5】Jintang Du, et al. (2011), Sirt5 is a NAD-dependent protein lysine demalonylase and desuccinylase. Science 334,806-809.
【6】Lei Li, et al. (2016), SIRT7 is a histone desuccinylase that functionally links to chromatin compaction and genome stability. Nat. Communication.
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