乙酰化转移酶KAT2A对骨骼肌干细胞分化的调节作用及机理研究

Reversible acetylation, catalyzed by acetyltransferases and deacetylases, is one of the most important protein post-translational modifications. Our previous work demonstrated the importance of deacetylases in regulating muscle stem cell (MuSC) aging (Science, 2016). However, it is not known whether its opposite reaction, namely acetylation and related acetyltransferases, is also involved in stem cell fate decision. Recently, our preliminary results have shown that the acetyltransferase KAT2A knockdown MuSCs totally lost their differentiation capacity in vitro. Further bioinformatic analysis has found that Kat2a is specifically highly expressed at the early stage of the MuSC differentiation process. Moreover, KAT2A might directly acetylate PAX7, the key transcriptional factor that regulates MuSC differentiation. We hypothesize that KAT2A is a key factor that activates MuSC differentiation. Therefore his project aims at defining the pivotal role of KAT2A on MuSC differentiation, and focus on the investigation of the key targets and regulatory network of KAT2A on MuSC differentiation. Meanwhile, we will analyze the expression of KAT2A in clinical samples harvested from donors at different ages. Achieving the aims of this project serve as the basis for the application of KAT2A as a clinical marker of the stem cell differentiation.

可逆乙酰化分别由乙酰化转移酶和去乙酰化酶催化，是一种重要的蛋白质修饰形式。我们前期工作证明去乙酰化酶调节骨骼肌干细胞（MuSC）衰老（Science, 2016），但其逆过程，即乙酰化及乙酰化转移酶是否参与MuSC命运决定缺乏深入研究。近期，我们的预实验发现乙酰化转移酶KAT2A敲低的MuSC完全丧失体外分化能力；进一步生信分析表明KAT2A在MuSC分化早期呈现特异性高表达，且提示KAT2A直接乙酰化MuSC早期分化关键转录因子PAX7。我们推测，KAT2A为推动MuSC分化的决定蛋白。基于此，本项目拟运用KAT2A MuSC特异敲除小鼠和MuSC细胞实验体系，明确KAT2A对MuSC分化的决定作用，并详细研究KAT2A调节MuSC分化的关键靶点和分子机制。同时，项目结合临床样品，分析KAT2A在衰老过程中的表达水平变化，为KAT2A作为干细胞分化标志等临床应用奠定基础。

骨骼肌是一类具有自我修复功能的组织，在肌肉受损后，位于肌纤维质膜和基底膜之间的骨骼肌干细胞（Muscle Stem Cell, MuSC）会自发地活化、增殖，并分化为具有收缩功能的肌纤维，以修复和再生受损的骨骼肌。MuSC功能异常可诱发骨骼肌再生障碍，导致骨骼肌损伤及功能下降，甚至诱发骨骼肌退行性疾病的发生发展。MuSC从静息态到活化态的过程中伴随着大量蛋白质乙酰化修饰的发生，乙酰化修饰是直接调控蛋白质生物活性的重要方式。因此，探究骨骼肌再生修复机理并寻找能够应用于骨骼肌疾病干预的新靶点具有重大的科学与现实意义。本项目通过在体小鼠及体外细胞实验，运用包括生物信息学、遗传学、分子生物学以及细胞生物学在内等技术手段，深入研究了乙酰化转移酶KAT2A（又称：GCN5）对MuSC分化以及肌肉完整性的作用，结果显示乙酰化转移酶KAT2A在小鼠活化的MuSC中高表达，这提示KAT2A在MuSC活化和分化过程中发挥重要作用。进一步的实验结果显示，KAT2A敲除小鼠MuSC细胞分化能力以及骨骼肌损伤修复能力降低。通过生物信息学分析发现KAT2A可能乙酰化骨骼肌干细胞维持和分化重要的转录因子PAX7，过表达或者敲低KAT2A证明KAT2A能乙酰化PAX7，从而确定PAX7为KAT2A调控骨骼肌干细胞功能的重要底物。.同时，为了研究KAT2A对成熟骨骼肌纤维和肌肉结构稳定性调控的分子机制，项目通过生物信息学数据分析与实验验证，揭示了KAT2A通过乙酰化转录因子YY1，负调控YY1功能，遏制其对骨骼肌结构蛋白表达的抑制作用，从而促进和维持骨骼肌结构动态平衡。项目实现既定目标，研究成果初步阐明了KAT2A的作用机制，为骨骼肌萎缩疾病的诊疗提供了新的思路和治疗靶点。