葡萄糖对组蛋白H4 K8 2-羟异丁酰修饰的调控机制研究

In recent years, many novel lysine acylation modifications closely related to metabolism have been identified, but the studies on the function and regulation of these modifications have lagged far behind. 2-hydroxyisobutyryl modification at the K8 site of histone H4 (H4K8hib) is one of the novel modifications conserved among species that is associated with the high transcriptional activity. We have identified its “writer” and “erasers” and found that glucose can affect the level of H4K8hib through glycolysis, but the detail mechanism remains unknown. We propose that glycolysis may regulate H4K8hib by affecting the level of intracellular donor 2- hydroxyisobutyryl-CoA or the enzyme activity of the “writer” complex. The metabolomic and proteomic analysis methods will be used to clarify the relationship between the concentration or type of sugar in the medium and the level of intracellular 2- hydroxyisobutyryl-CoA. The biochemical, molecular and genetic techniques will be used to determine the influence of the intermediate products in glucose metabolism on the catalytic activity of the “writer” complex. This project will reveal the regulatory mechanism of glycolysis pathway on 2-hydroxyisobutyrylation of H4 K8 and establish a key connection between this modification and core metabolic pathways, helping to elucidate the potential roles of this modification in metabolic diseases.

近年来，许多与代谢密切相关的新型赖氨酸酰化修饰被发现，但这些修饰的功能和调控机制的研究明显滞后。组蛋白H4 K8位点的2-羟异丁酰修饰是一种在物种间保守的新型修饰，与基因的高转录活性相关。本课题组前期鉴定了其修饰酶与去修饰酶，同时发现葡萄糖可通过糖酵解途径影响该修饰在胞内的水平，但具体调控机制未知。我们提出糖代谢可能通过影响胞内修饰供体2-羟异丁酰辅酶A的水平或修饰酶复合物的2-羟异丁酰化酶活性来执行调控功能。本项目将利用代谢组和蛋白质组等分析方法，阐明培养基中糖浓度和类别与酵母体内2-羟异丁酰辅酶A含量的对应关系；利用生化、分子和遗传等技术，确定不同糖代谢产物对修饰酶复合物催化活性的作用，从而为验证上述假说提供实验证据，揭示糖酵解途径对H4 K8位点2-羟异丁酰化的调控机制。本项目的完成将建立该组蛋白修饰与核心代谢通路的关键链接，有助于解析该修饰在代谢类疾病中的潜在作用。

近年来，许多与代谢密切相关的、在细胞内广泛分布的新型赖氨酸酰化修饰被发现，但这些修饰的功能和调控机制的研究明显滞后。2-羟基异丁酰基（hib）修饰在细胞中广泛分布，其中H4K8位点的2-羟异丁酰修饰是一种在物种间保守的新型修饰，与基因的高转录活性相关，本课题组前期鉴定了其修饰酶与去修饰酶。同时，研究发现葡萄糖代谢与H4K8hib和赖氨酸 2-羟基异丁酰化 (Khib) 的总水平均有关联。然而，在H4 K8位点还存在乙酰化修饰，给其功能和机制研究带来阻碍。此外，已有新的研究鉴定了新的修饰酶，并阐述了该酶介导的Khib对糖酵解途径的调控机制和在细胞应对葡萄糖匮乏压力过程中的重要作用。因此，本研究主要以H4K8位点的不同修饰的水平为指征，探索修饰酶复合物NuA4催化活性的空间分离的可行性。结合结构数据，本研究构建了一系列复合物突变，并进行体内催化活性的检测，鉴定了多个对于细胞存活或生长具有显著影响的重要位点，但在存活的菌株中未能获得在H4K8位点对不同酰化修饰具有明显差异性催化功能的复合物突变。为挖掘新的调控因子，我们构建了组蛋白H3/H4突变(包含H4 K8)和其他基因的双突变库，绘制了精细的遗传作用图谱，不仅建立了对与组蛋白H3/H4存在相互作用的遗传网络的全局性认识，获得了大量可后续追踪研究的潜在新的调控因子的线索，还利用不同位点相互作用表型谱的相似性作为空间约束参数，准确地模拟出H3/H4二聚体的结构。这些结果凸显了本研究绘制的遗传作用图谱在组蛋白功能研究中的重要性及其在结构预测领域的应用价值。