巴豆酰化修饰通过代谢和表观遗传调控提高体细胞重编程的机制研究

Metabolism and epigenetic regulation play a vital role in somatic cell reprogramming with exogenous factors. Our current data show that crotonate metabolism robustly enhances the efficiency of reprogramming, with the activation of glycolysis and up-regulation of the reprogramming genes. This is related to the crotonyl-CoA synthetase Acss2, metabolic enzyme Acly and the histone crotonylation reader Kat6a in the molecular mechanism, yet the underlying mechanism is still unclear. We propose to explore the function and mechanism of this new modification from a glycolysis and epigenetic regulation angle. For this purpose, we plan to: 1, study the functional effect of crotonylated metabolic enzyme Acly in reprogramming by a range of molecular biology techniques including detection of Acly activity, shRNA of Acly and metabolic enzyme inhibitor treatment; 2, demonstrate how reader Kat6a regulates reprogramming through binding to crotonylated histones using mass spectrometry, co-immunoprecipitation and chromatin immunoprecipitation. This research will not only explore our knowledge that metabolism regulation epigenetics and cell fate, but also supplies more scientific evidences for future research in disease, immune system, and embryonic stem cell and development.

代谢和表观遗传调控在体细胞重编程中起着至关重要的作用。我们目前研究发现，巴豆酸大大提高重编程效率，同时伴随糖酵解的激活以及重编程相关基因表达的上调；在分子机制上，与巴豆酰CoA合成酶Acss2、代谢酶Acly和组蛋白巴豆酰化修饰reader Kat6a有关，但是具体的作用机制尚不明确。本项目拟探索巴豆酰化这一新的修饰通过糖酵解代谢和表观遗传学两个层面调控重编程的作用和机制。具体研究内容：1，通过代谢酶活检测、shRNA和代谢酶抑制剂实验，研究巴豆酰化修饰的代谢酶Acly对重编程中糖酵解途径的影响；2，利用质谱、染色质免疫共沉淀和蛋白质免疫共沉淀等实验手段证明reader蛋白Kat6a通过结合组蛋白巴豆酰化修饰调控重编程相关基因转录的分子机理。本研究将拓展我们对代谢过程调控表观遗传和细胞命运的认识，也为巴豆酰化修饰在疾病、免疫、胚胎干细胞及发育过程中的深入研究提供了更多的依据。

表观遗传调控在体细胞重编程中起着至关重要的作用。短链脂肪酸代谢介导的翻译后修饰，如众所周知的赖氨酸乙酰化修饰等，大大扩展了重编程中表观修饰的复杂程度且为其作用机制赋予了不同层面的解析。然而，对非乙酰赖氨酸酰基化修饰的潜在功能仍知之甚少。在本项目中，我们的目标是探索四因子诱导的重编程体系中，非乙酰赖氨酸酰基化修饰的功能及其作用机制。我们目前的研究发现短链脂肪酸家族成员巴豆酸，丙酸和丁酸能够促进重编程的效率。其中巴豆酸通过促进MET和多能性相关基因的表达能使重编程效率提高至10倍。单细胞测序发现巴豆酸代谢能使细胞向多个不同命运决定的方向发展，如多能性和滋养层等。代谢方面，巴豆酸代谢主要由ACSS2负责并介导巴豆酰化修饰调控重编程的发生；此外巴豆酸代谢能够促进重编程细胞的糖酵解过程且活跃线粒体的代谢；通过非组蛋白巴豆酰化修饰的鉴定，我们还发现代谢酶通过巴豆酰化修饰提高自身的酶活性。在表观修饰机制中，巴豆酰化通过调控组蛋白的表观遗传修饰影响重编程相关基因的转录活性，而且该作用可能由reader蛋白Kat6a所介导。我们的研究结果表明巴豆酰化修饰能从代谢和表观遗传两种不同角度影响体细胞重编程体系的作用，我们相信巴豆酰化修饰及其他酰基化修饰在其他系统中有更加广泛的作用。