NAR | 张勇洪/周超/刘小云团队合作揭示2-羟基异丁酰化修饰调控光暗适应性反应机制

景杰生物 | 报道

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组蛋白赖氨酸的翻译后修饰是表观遗传学密码的重要组成部分，它们动态地调节染色质的结构和功能，影响基因表达活性，参与生物体的环境适应性调控。赖氨酸酰化修饰家族（Acylation）包含了乙酰化、丙酰化、琥珀酰化、2-羟基异丁酰化等在内的10余种修饰种类。该家族的不同成员在多种重要生物学过程中的参与作用也成为了近些年的生物学领域研究热点之一。

赖氨酸2-羟基异丁酰化修饰（Lysine 2-hydroxyisobutyrylation; Khib）于2014年被首次鉴定[1]。是一种较高丰度的翻译后修饰类型，在原核生物和真核生物中广泛存在，与糖代谢、氨基酸合成、糖酵解等生物学过程密切相关，逐渐成为表观遗传、代谢调控领域的研究热点。在植物领域，最新的研究从新的视角揭示了Khib修饰在小麦、水稻重要病原稻曲菌中发挥关键的调控作用[2、3】，为了解该修饰的具体生物学功能提供了助力。

2021年6月24日，湖北医药学院张勇洪、三峡大学周超、江汉大学刘小云等课题组在国际知名期刊Nucleic Acids Research在线发表了题为“Functional interplay of histone lysine 2-hydroxyisobutyrylation and acetylation in Arabidopsis under dark-induced starvation”的合作研究论文。该研究系统地针对烟草、拟南芥、水稻、玉米等多个植物物种进行了组蛋白赖氨酸2-羟基异丁酰化研究，并首次完整展示了模式植物拟南芥组蛋白Khib修饰谱，揭示了组蛋白2-羟基异丁酰化修饰参与碳水化合物代谢和植物逆境适应性的作用机制。

据悉，湖北医药学院郑兰兰博士和李琛博士为论文的共同第一作者。江汉大学刘小云、三峡大学周超和湖北医药学院张勇洪为共同通讯作者。河南大学胡筑兵教授和陕西师范大学王国栋教授等研究者参与研究。景杰生物为该研究提供2-羟基异丁酰化修饰抗体（PTM-801）及修饰组学定量技术支持。

为了研究组蛋白赖氨酸2-羟基异丁酰化是否广泛存在于植物中，研究者从拟南芥、烟草、水稻和玉米幼苗中分离了总组蛋白并进行了免疫印迹分析。结果表明组蛋白 Khib 是植物中保守的表观基因组标记。为了探究组蛋白Khib在拟南芥染色质中的作用，研究人员通过Khib修饰组学定量技术，鉴定到41个拟南芥组蛋白Khib的修饰位点。进一步使用抗 Khib 抗体进行ChIP-seq分析发现，Khib修饰在基因组中广泛分布。35%的蛋白编码基因被Khib修饰，且主要集中转录起始区域。

图、拟南芥组蛋白Khib修饰的鉴定

研究进一步分析发现，组蛋白Khib与Kac存在相关性，其中H3K23ac修饰与Khib在基因上分布模式非常类似。分析表明组蛋白Khib与H3K23ac协同促进基因表达。最后，联合转录组、代谢组以及ChIP-qPCR等分析发现，组蛋白Khib和H3K23ac通过影响淀粉和蔗糖代谢以及苯丙素合成途径的关键代谢基因活性和产物水平，进而微调植物对暗诱导饥饿胁迫的适应性。此外，遗传学和生化数据提示拟南芥组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase）HDA6和HDA9具备Khib修饰去活性酶功能。

图、组蛋白Khib和H3K23ac调控光暗适应性反应机制

本研究运用基于质谱的2-羟基异丁酰化修饰定量技术，系统分析了拟南芥中组蛋白Khib位点的全基因组分布模式，并进一步研究了它与乙酰化（Kac）在暗诱导饥饿胁迫下的变化及对代谢关联基因、代谢产物含量的动态影响，揭示了组蛋白 Khib 和 H3K23ac在植物应激反应期间影响细胞代谢过程的作用机制。本研究探讨了表观修饰与植物碳水化合物等能量代谢的新机制，丰富了表观调控植物适应性的内容。

参考文献：

1. Lunzhi Dai, et al., 2014. Lysine 2-hydroxyisobutyrylation is a widely distributed active histone mark. Nature Chemical Biology.

2. Ning Zhang, et al., 2021. Global Profiling of 2-hydroxyisobutyrylome in Common Wheat. Genomics, Proteomics & Bioinformatics.

3. Xiaoyang Chen, et al., 2021. Comprehensive identification of lysine 2-hydroxyisobutyrylated proteins in Ustilaginoidea virens reveals the involvement of lysine 2-hydroxyisobutyrylation in fungal virulence. Journal of Integrative Plant Biology.