丙酮酸激酶调控端粒异染色质基因沉默的机制研究

Pyruvate kinase plays critical roles in cellular senescence but little is known about the underlying mechanism. Telomere especially telomere silencing has been reported to regulate senescence. Using proteomics tools, we found that Pyk1 forms a novel complex, called SESAME, with other metabolic enzymes. By forming this stable complex, Pyk1 can be translocated into nucleus, where it phosphorylates histone H3 at threonine 11 (H3T11). Using chromatin immunoprecipitation technique, we found that SESAME phosphorylates H3T11 near telomere, implying that Pyk1 might be invovled in telomere regulation. Based on these data, we plan to use telomere silencing reporter genes、RNA sequencing and chromatin immunoprecipitation to investigate how SESAME and H3T11 phosporylation regulate telomere strucutre from the perspective of telomere silencing. We will then analyze whether SESAME and metabolites regulate cellular senescence. Our project will elucidate how pyruvate kinase modulates telomere silencing and senescence and provide clues for anti-aging therapy.

近期研究表明丙酮酸激酶调控细胞衰老，但其中的分子生物学机制并不清楚。端粒在细胞衰老中起关键作用，研究表明端粒的异染色质沉默可调控细胞衰老。申请人前期利用蛋白质组学工具发现丙酮酸激酶Pyk1通过和其它代谢酶形成一个稳定的代谢酶复合体（SESAME）而被转运到细胞核中催化组蛋白H3苏氨酸11（H3T11）的磷酸化。进一步通过染色体免疫沉淀实验在端粒附近检测到SESAME和H3T11磷酸化，提示Pyk1可能通过端粒来调控衰老。本项目拟在上述发现的基础上开展如下研究：（1）利用端粒异染色质报告基因实验、RNA测序以及染色体免疫沉淀等技术分析SESAME对端粒异染色质基因沉默的影响及其机制；（2）分析SESAME及相关细胞代谢产物对细胞衰老的影响。上述研究的开展将有助于阐明丙酮酸激酶对端粒异染色质基因沉默及细胞衰老的调控与分子机制，为衰老防治提供新的理论依据。

丙酮酸激酶调控细胞衰老，但其中的分子生物学机制并不清楚。端粒在细胞衰老中起关键作用，研究表明端粒的异染色质沉默可调控细胞衰老。前期利用蛋白质组学工具发现丙酮酸激酶Pyk1可形成一个稳定的代谢酶复合体（SESAME）催化组蛋白H3苏氨酸11（H3T11）的磷酸化。进一步通过染色体免疫沉淀实验在端粒附近检测到SESAME和H3T11磷酸化。本项目利用端粒异染色质报告基因实验、RNA测序以及荧光定量PCR等技术发现SESAME复合物催化的H3T11磷酸化有助于维持端粒异染色质基因沉默。进一步研究表明SESAME复合物催化的H3T11磷酸化促进沉默信息蛋白Sir2结合在端粒，并且通过阻止Sir2的出核被自噬降解从而稳定Sir2的蛋白水平。在衰老过程中，SESAME催化的H3T11磷酸化下降，自噬升高，导致Sir2被降解，端粒沉默破坏。而代谢产物丝氨酸通过激活SESAME复合物催化的H3T11磷酸化阻止Sir2被自噬降解，从而增强端粒沉默。最后，SESAME复合物通过催化H3T11磷酸化，维持端粒的沉默，进而调控细胞衰老。. 上述研究工作总结在6篇SCI论文里中，发表在Nature Communications（1篇）、Nucleic Acids Research （2篇）、Oncogene（1篇）、Journal of Genetics and Genomics（1篇）和Frontiers in Genetics（1篇）学术期刊上。这些研究成果的发表说明我们很好的完成了项目的预定目标，显示我们的研究处于国际先进水平。该课题的顺利实施为今后进一步研究糖代谢调控端粒和衰老奠定了良好的基础，为抗衰老药物的研发提供了重要的线索。