血清素(serotonin)，又名五羥色胺(5-HT)是一種重要的神經(jīng)遞質(zhì)，負責在大腦神經(jīng)元之間傳遞信號，并且參與調(diào)節(jié)情緒。不過，中美兩國的科學家近日發(fā)現(xiàn)，血清素也以意想不到的方式調(diào)控神經(jīng)元中的基因表達。
美國西奈山伊坎醫(yī)學院的Ian Maze*了這項研究。清華大學醫(yī)學院的李海濤課題組、普林斯頓大學等機構(gòu)的研究人員也參與了研究。這項成果于3月份發(fā)表在《Nature》雜志上，有助于人們更好地了解各種腦部疾病，包括情緒失調(diào)、藥物濫用/成癮和神經(jīng)退行性疾病。
這項研究圍繞著DNA以及它如何形成每個人的遺傳圖譜展開。*，DNA纏繞在組蛋白的周圍，形成核小體。當編碼特定基因的DNA緊密纏繞時，這個基因不大可能表達。相反，松散纏繞的基因更有可能表達。不過，血清素對此過程有何影響呢？
血清素化位點的鑒定
之前的研究表明，血清素通過轉(zhuǎn)*酶2(TGM2)的轉(zhuǎn)酰胺作用與胞質(zhì)蛋白形成共價鍵。為此，研究人員探索了核蛋白是否也有類似的修飾。首先，他們研究組蛋白是否能作為血清素化(serotonylation)的內(nèi)源性底物。通過Western blotting和重組TGM2酶分析，他們確認組蛋白H3是血清素化的內(nèi)源性底物。
之后，研究人員利用5-HT開展體外TGM2分析，接著進行靶向液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜(LC-MS/MS)分析，鑒定H3上的血清素化位點。結(jié)果表明，血清素化發(fā)生在組蛋白H3上的第5位*(Q5ser)。當*突變成*時，TGM2的轉(zhuǎn)酰胺基活性喪失。
考慮到Q5ser與Lys4相鄰，研究人員接著分析了K4me3對TGM2介導的單酰胺化的潛在影響。他們對未修飾核小體或H3K4me3核小體進行TGM2分析，發(fā)現(xiàn)K4me3對單酰胺化修飾無影響。同樣地，Q5ser的存在對MLL1(H3K4甲基轉(zhuǎn)移酶)體外修飾核小體的能力也沒有影響。于是，他們對H3K4me3Q5ser這種組合開始感興趣。
研究人員制備了單修飾(H3Q5ser)和雙修飾(H3K4me3Q5ser)的特異性抗體。他們以含血清素細胞系(RN46A-B14細胞)和成年小鼠的大腦為研究對象，在免疫沉淀后開展LC-MS/MS分析，證實了這些標記存在于哺乳動物細胞和組織中。不過，大腦中僅鑒定出雙重修飾，故后續(xù)研究集中在H3K4me3Q5ser。
他們接著研究了H3K4me3Q5ser在哺乳動物組織中的分布。他們發(fā)現(xiàn)，這種標記廣泛表達，但主要集中在產(chǎn)生5-HT的器官(比如大腦和結(jié)腸)。同時，心臟、外周血單核細胞和睪wan中也觀察到穩(wěn)定的信號。
血清素化調(diào)控基因表達
之后，研究人員檢測了人多能干細胞來源的5-HT神經(jīng)元在分化前后的H3K4me3Q5ser表達。他們發(fā)現(xiàn)，分化導致H3K4me3Q5ser水平顯著增加，同時伴隨著H3K4me3的變化(圖1)。染色質(zhì)免疫沉淀的結(jié)果表明，H3K4me3Q5ser峰的總數(shù)也隨著分化而明顯增加。
圖1. H3K4me3Q5ser對人5-HT神經(jīng)元的分化有反應
小鼠大腦在胚胎發(fā)育過程中也呈現(xiàn)出一致的結(jié)果。與5-HT神經(jīng)元的結(jié)果相似，在發(fā)育期間激活的神經(jīng)元基因表現(xiàn)出H3K4me3和H3K4me3Q5ser的顯著增加，而表達水平維持不變的其他基因則未表現(xiàn)出明顯的標記變化。
為了評估Q5ser在這些過程中的作用，研究人員又使用了RN46A-B14細胞培養(yǎng)模型。這些細胞能夠在體外分化以增加5-HT的產(chǎn)生，誘導細胞周期停滯，并促進神經(jīng)突向外生長的表型。與5-HT神經(jīng)元和小鼠大腦的數(shù)據(jù)一致，他們發(fā)現(xiàn)RN46A-B14細胞分化導致H3K4me3Q5ser水平的顯著增加。由此推斷，H3K4me3Q5ser可能對基因表達有貢獻。
接下來，研究人員直接驗證了H3K4me3Q5ser在基因表達中的作用。他們制備了表達野生型H3.3或突變體H3.3(Q)的慢病毒，這個突變阻止了血清素化，但不影響H3第4位賴氨酸的*基化能力，并將其轉(zhuǎn)導到分化的RN46A-B14細胞。數(shù)據(jù)表明，與內(nèi)源性H3K4me3Q5ser表達的競爭改變了靶基因的水平，對非靶位點幾乎沒有影響。在此期間，他們采用了賽業(yè)生物(Cyagen Biosciences)的慢病毒包裝服務。
在進一步探究H3K4me3Q5ser的作用機制時，研究人員以H3K4me3結(jié)合蛋白為對象，評估了Q5ser與K4me3組合的存在是否影響這些結(jié)合事件。他們發(fā)現(xiàn)，結(jié)合增強的是轉(zhuǎn)錄因子復合物TFIID的15個成員。隨后的免疫沉淀和western blotting分析證實了TFIID與H3K4me3之間的相互作用得以增強(圖2)。這意味著，血清素化讓部分DNA變得松散，從而增強了基因表達。
圖2. H3K4me3Q5ser增強了TFIID與H3K4me3的相互作用
作者表示，H3Q5的血清素化代表了組蛋白上第1個內(nèi)源性的單酰胺化修飾，也代表了組蛋白*殘基上第1個非甲基化翻譯后修飾。關(guān)于組蛋白血清素化的體內(nèi)功能，還有許多問題待研究。比如，血清素對基因表達的調(diào)控是否也在情緒調(diào)節(jié)中發(fā)揮作用？這些新知識是否有助于開發(fā)更好的藥物來治療抑郁癥或情緒失調(diào)？
