参与表观遗传调控的代谢小分子群的鉴定及作用机理研究

Our previous results showed that metabolites such as a-ketoglutarate, succinate and fumarate, beside being energy source and building blocks of cells, exert regulatory effects to histone demethylases and DNA demethylases, thus alter epigentics of cells. In this study, we set out a goal to identify metabolites at whole cell level to build a histone and DNA interacting metabolites library, by employing protein-metabolites interaction enrichment technology followed by LC-MS analysis. Mechanistic studies will be carried out for representative metabolites that exert their regulatory effect via binding to allosteric sites of demethylases thus affect demethylases activities, binding to substrates binding sites to competitively inhibit demethylases and to modify demethylases thus alter their activities, respectively. Moreover, we will identify upstream signals and metabolic pathway coordination that determine the level of the regulatory metabolites and try to modulate epigenetics by altering metabolism. Our study will provide value in understanding how metabolism disorders cause human diseases and may provide ways of intervening.

我们前期的系列工作表明：a-酮戊二酸、琥珀酸、富马酸等代谢物浓度的改变可以调控细胞表观遗传和信号通路（Science 2009，Cancer Cell 2011），并深刻影响细胞生理病理。因此，在全细胞水平系统鉴定参与表观遗传调控的代谢物并阐明其调控生化机制可以深刻揭示代谢失调导致疾病的分子机理。本项目将利用代谢物与双加氧酶相互作用的原理，在全细胞水平鉴定与组蛋白去甲基化酶和DNA羟甲基化酶相互作用的代谢物，用色-质联用检测技术检测这些代谢物并建立参与细胞表观遗传调控的代谢物库。选择其中的代表性代谢物，研究代谢物分别通过结合非催化位点改变去甲基化酶构象而改变酶活，通过竞争结合底物位点抑制去甲基化酶活，以及通过代谢物修饰改变去甲基化酶活的分子机制。进而，研究影响这些代谢物平衡的上游信号及代谢通路协调，实现通过调控代谢物平衡来实现对细胞表观遗传的调控，加深对代谢物调控表观遗传的分子机制的认识。

项目负责人前期确立了代谢物的信号通路及表观遗传调控属性。本项目在前期成果的基础上对代谢物调控信号通路，尤其是代谢物对表观遗传的调控进行了深入的研究。先后发现：1）2015年，揭示系列代谢物通过改变线粒体琥珀酰化修饰改变细胞的呼吸及凋亡特性，促进肿瘤的发生，成果发表于Molecular Cell，并被Cancer Discovery专文介绍；2）2017年，阐明同型半胱氨酸吸收是决定其表观乃至发育调控作用的关键，解释困扰临床多年的叶酸水平与出生缺陷符合度不佳的问题。论文发表于Circulation；3）2017年，阐明富营养通过乙酰化调控细胞增殖和凋亡，结果发表于Nature Communications；4）2018年，阐明同型半胱氨酸修饰组蛋白导致神经管畸形，成果发表于Nature Communications；5）2018年，阐明同型半胱氨酸通过翻译后修饰在高脂饮食中的一种致癌机制，论文发表于Cell Reports；6）2018年，原创性揭示了氨基酸通过氨基酸修饰被感知和传导信号的分子机制，发现tRNA合成酶是氨基酰化的催化酶，被誉为是“里程碑式发现”。