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【科技前沿】Protein Cell:潘文曹丹合作团队鉴定新型蛋白组氨

  50多年以来,人们已经观察到在哺乳动物蛋白组氨酸(Histidine),无论是第一位的N(N1)还是第三位的N (N3) 上,均能发生甲基化修饰,并且这种修饰是普遍存在、高度保守的。体内约有13%的蛋白质甲基化都是由组氨酸甲基化贡献的,仅次于赖氨酸和精氨酸,并且主要发生在非组蛋白上。然而,凤凰阁官方网不同于后两者,关于组氨酸的甲基化修饰,无论是修饰酶、还是该修饰的功能研究都非常有限。

  尽管在一些早期研究中 ,科学家们已在酵母中发现组氨酸甲基转移酶。然而直到2018年,来自美国斯坦福大学等团队的研究人员,才第一次在哺乳动物中鉴定出SETD3为组氨酸甲基转移酶(histidine methyltransferase),其通过甲基化肌动蛋白Actin上第73位组氨酸(His73)N3位甲基化,在调控平滑肌收缩中起关键作用。该Nature工作报道了组氨酸甲基化在哺乳动物中的首个功能,解决了一个存在多年的谜题。几乎同时,波兰华沙大学Jakub Drozak实验室等研究人员也在eLife发文报道了类似的发现。进一步地,中国科学技术大学的许超教授与合作团队在eLife发文解析了SETD3与β-actin多肽的高分辨复合物晶体结构(详见BioArt报道:Nature+eLife 科学家发现多细胞动物中首个组氨酸甲基转移酶)。

  然而,SETD3仅特异性地修饰actin及家族。更为最重要的是,SETD3是一个特异的N3位组氨酸的甲基化转移酶。考虑到体内广泛的N1位组氨酸蛋白质修饰存在,提示肯定存在未知的、可观数量的、或有多底物的蛋白N1组氨酸甲基化转移酶。所以从基础研究角度出发,鉴定新的蛋白组氨酸甲基转移酶,以及研究它们及其修饰位点的功能,是表观遗传新兴研究方向,亟需投入与其丰度匹配的研究力度。

  2021年7月6日,中国科学技术大学生医部潘文教授课题组及曹丹副研究员于Protein & Cell在线 mediated N1-histidine methylation of zinc transporters is required for tumor growth 的论文。已于今年4月份post在预印本杂志bioRxiv上。研究人员独立鉴定了哺乳动物中第一个蛋白组氨酸N1位甲基转移酶METTL9,并首次报道了METTL9介导的组氨酸甲基化修饰在肿瘤生长中的功能。与SETD3不同,研究人员发现METTL9的底物众多,并且其修饰底物偏好特定的基序模式XHXH(其中H代表histidine,X代表其他氨基酸)。功能层面,研究人员发现METTL9在很多肿瘤细胞内高表达,在前列腺癌和结肠癌肿瘤细胞内敲除METTL9会抑制肿瘤细胞的生长。机制上,METTL9通过甲基化内质网上的锌离子转运蛋白SLC39A7维持锌离子稳态从而适应肿瘤细胞生长。METTL9这种全新的甲基转移酶可能扩大对于靶向肿瘤潜在新药物的开发研究。这几项研究刷新了人们对组氨酸甲基化的认知,这种修饰并非只存在特定、少数蛋白,相反,其作为一种广泛存在的调控机制,将是一个新兴研究方向,值得进一步深入探讨和拓展。

  首先,研究者在小鼠前列腺癌细胞系RM-1和结肠癌细胞系MC-38中敲除METTL9,研究者发现敲除METTL9后肿瘤细胞在体外的增殖能力减弱。随后研究者将敲除METTL9的细胞系分别接种在免疫缺陷的裸鼠和免疫系统正常的小鼠身上,他们发现敲除METTL9后,肿瘤生长变慢,说明METTL9对肿瘤的生长是必需的。

  通过生化实验,研究人员发现METTL9具有甲基化转移酶的活性,并能够甲基化它的相互作用蛋白SLC39A7。通过fine-mapping的手段,香港六会彩手机开奖结果研究者发现METTL9甲基化的是SLC39A7上的组氨酸,并揭示SLC39A7上存在很多组氨酸甲基化位点,并且SLC39A7的组氨酸甲基化是在N1位上。通过进一步的生化实验,研究者揭示METTL9甲基化底物具有都包含特定基序XHXH, 第一个氨基酸宽容度较高,除了I/P/V, 其他氨基酸都可以。第三个氨基酸偏好A/C/G/S四个小氨基酸。研究者根据鉴定的底物基序GHA/C/G/SH进行了搜索,发现很多蛋白都包含METTL9的识别基序,通过实验验证证明了它们都可能是METTL9的底物。通过对含有基序的底物进行GO分析,研究者还发现锌离子转运家族大都含有这种特定的基序,暗示METTL9通过甲基化锌离子转运家族来调控胞内的锌稳态。

  研究者进一步对METTL9促进肿瘤生长的分子机制进行了研究,作者发现敲除METTL9后细胞内的锌离子浓度升高。通过转录组测序手段,研究者们发现敲除METTL9后调控细胞周期相关的通路蛋白下调而与ER stress相关的通路蛋白上调。通过进一步的研究,作者发现SLC39A7上的两个组氨酸位点在METTL9调控锌离子浓度上有重要作用,表明METTL9通过甲基化锌离子转运蛋白调控锌离子稳态,从而进一步影响细胞增殖。除此之外,研究者们还发现,肿瘤细胞中的METTL9高水平与更差的生存率相关。但在肿瘤免疫微环境中,大多数肿瘤免疫环境中的METTL9很低,说明METTL9在免疫微环境中受到一定的调控,它在免疫微环境中的下调可能会帮助肿瘤发展。综上所述,这项工作鉴定了蛋白组氨酸N1甲基化转移酶METTL9,并发现其可促进肿瘤生长,为治疗肿瘤提供了潜在新的靶点,同时也揭示了组氨酸甲基化的多样性和复杂性。

  在Protein & Cell论文整理投稿的过程中,来自瑞典、日本和德国的三个小组合作也发现了METTL9这个蛋白组氨酸N1位的甲基化转移酶。他们的论文题目为The methyltransferase METTL9 mediates pervasive 1-methylhistidine modification in mammalian proteomes发表在今年2月9号的Nature Communications上【1】。这篇文章侧重通过质谱手段鉴定体内的蛋白组氨酸N1位的甲基化,他们也同样发现了大量的METTL9的底物。通过生化手段,他们把METTL9的识别基序鉴定为HXH,其中偏好A/G/N/S/T,与Protein & Cell论文中的A/C/G/S有所不同,分析原因可能是XHXH基序周围的氨基酸对它的甲基化也有一定的影响。但是该论文在甲基化转移酶METTL9的生物学功能上没有做深入研究。另外,今年5月22号在NAR Genomics and Bioinformatics上也发表了自瑞士的课题组论文 Large-scale identification of protein histidine methylation in human cells ,对已有的蛋白甲基化谱数据库进行了分析【2】。文中也发现组氨酸甲基化普遍存在于细胞和组织中。80%的组氨酸甲基化蛋白只包含一个组氨酸甲基化位点,被甲基化的组氨酸具有单一空间的性质。文章也揭示了含有组氨酸甲基化的蛋白包含很多锌结合蛋白,和Protein & Cell文章分析的结果类似。除上述三篇论文以外,今年2月份NAR上还发表了题为Human METTL18 is a histidine specific methyltransferase that targets RPL3 and affects ribosome biogenesis and function 的论文【3】。METTL18是酵母中Hpm1的同源物,它甲基化RPL3的活性一直都没得到证实。这篇文章发现RPL3需要在核糖体复合体上才能被甲基化,从而把METTL18鉴定为第二个人源的组氨酸甲基化转移酶。综上所述,连续发表的这几篇文章揭示了蛋白组氨酸甲基化酶的新篇章,极大地扩展了含有甲基化组氨酸的蛋白底物,为体内蛋白组氨酸甲基化的研究揭开了新的序幕。

  Protein & Cell研究主要由中国科学技术大学生命科学与医学部附属第一医院,生命科学院,西湖大学等单位共同完成。潘文教授,曹丹副研究员为Protein & Cell论文的共同通讯作者。中国科大生命科学与医学部博士生吕梦月,曹丹副研究员为论文共同第一作者。

  原标题:《【科技前沿】Protein & Cell:潘文/曹丹合作团队鉴定新型蛋白组氨酸甲基化转移酶,助推表观遗传新兴研究方向》