北京大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院、北京大學(xué)國(guó)際癌癥研究院張宏權(quán)教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)于2021年首次在國(guó)際上發(fā)現(xiàn)并鑒定出組蛋白賴氨酸異煙酰化修飾（lysine isonicotinylation，Kinic）—這一全新的核心組蛋白翻譯后修飾類型，并發(fā)現(xiàn)該修飾可被抗結(jié)核病一線藥物異煙肼（Isoniazid，INH）所誘導(dǎo)（Nature Communications，2021）。該研究表明，組蛋白發(fā)生Kinic后可以在賴氨酸上加上吡啶環(huán)結(jié)構(gòu)，這種修飾調(diào)節(jié)染色質(zhì)可接近性，促進(jìn)部分促癌基因如PI3KR1的表達(dá)，激活PAM信號(hào)通路，從而進(jìn)一步影響肝癌的發(fā)生發(fā)展。其中，CBP/p300作為組蛋白異煙酰化轉(zhuǎn)移酶，而HDAC3作為組蛋白去異煙酰化酶在組蛋白發(fā)生Kinic過程中起關(guān)鍵作用。Kinic作為細(xì)胞內(nèi)組蛋白上的一種高度保守的翻譯后修飾類型，存在于從低等生物到高等哺乳類。但是，該修飾是否也發(fā)生在非組蛋白上的賴氨酸上并發(fā)揮生物學(xué)功能，之前尚不清楚。因此，探究細(xì)胞內(nèi)整體的Kinic修飾譜特別是非組蛋白發(fā)生Kinic后對(duì)其功能的影響，對(duì)于深入理解Kinic修飾在正常生理功能和疾病發(fā)生發(fā)展中的作用至關(guān)重要。

近日，張宏權(quán)教授研究團(tuán)隊(duì)在Cell 旗下的綜合子刊iScience上在線發(fā)表了題為“Global isonicotinylome analysis identified SMAD3 isonicotinylation promotes liver cancer cell epithelial–mesenchymal transition and invasion”的研究論文。該研究通過蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)，首次在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的2792個(gè)蛋白質(zhì)中鑒定出11442個(gè)賴氨酸Kinic修飾位點(diǎn)，分析表明這些發(fā)生了Kinic修飾的蛋白質(zhì)廣泛參與到細(xì)胞多種信號(hào)通路與代謝過程中。作為例證，該研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步以被Kinic修飾的TGF-b信號(hào)通路中的重要成員SMAD3為例研究了Kinic修飾與蛋白功能之間關(guān)系，發(fā)現(xiàn)催化SMAD3發(fā)生Kinic修飾的異煙酰化轉(zhuǎn)移酶（Witer）為Tip60，也發(fā)現(xiàn)了SMAD3的去異煙酰化酶（Eraser）為HDAC8，更為重要的是研究人員還發(fā)現(xiàn)SMAD3的K378位點(diǎn)發(fā)生Kinic修飾后對(duì)于激活TGF-β信號(hào)通路，促進(jìn)肝癌細(xì)胞的上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化和侵襲至關(guān)重要。

研究人員首先利用定制的異煙酰化抗體，對(duì)抗結(jié)核藥物INH處理過的細(xì)胞進(jìn)行了蛋白質(zhì)組學(xué)檢測(cè)，鑒定到2792個(gè)蛋白上的11442個(gè)賴氨酸位點(diǎn)可以發(fā)生異煙酰化修飾（圖1A-C）。進(jìn)一步對(duì)這些可以發(fā)生Kinic修飾的蛋白進(jìn)行了相關(guān)功能富集，結(jié)果表明這些能夠發(fā)現(xiàn)Kinic修飾的非組蛋白在不同的細(xì)胞過程以及信號(hào)通路中起關(guān)鍵作用，如：三羧酸循環(huán)、DNA損傷修復(fù)以及脂肪酸氧化分解等。之后，研究人員分別對(duì)不同信號(hào)通路中所鑒定到的蛋白，進(jìn)行了Kinic修飾的驗(yàn)證得到與異煙酰化組學(xué)結(jié)果相符的結(jié)論。

圖1. 細(xì)胞整體異煙酰化修飾譜鑒定

為了進(jìn)一步對(duì)非組蛋白Kinic進(jìn)行探討，研究人員以在DNA損傷修復(fù)中的關(guān)鍵蛋白PARP1以及TGFβ信號(hào)通路中的關(guān)鍵蛋白SMAD3為例進(jìn)行深入研究，通過免疫共沉淀、免疫熒光以及siRNA敲減等實(shí)驗(yàn)，鑒定到CBP和HDAC6可以分別作為異煙酰轉(zhuǎn)移酶和去異煙酰化酶調(diào)控PARP1蛋白Kinic的發(fā)生，而Tip60和HDAC8作為了SMAD3的異煙酰化轉(zhuǎn)移酶和去異煙酰化酶調(diào)控其Kinic的水平（圖2）。這也提示非組蛋白的調(diào)控與此前所發(fā)現(xiàn)的組蛋白Kinic具有不同的Writers和Erasers。

在功能關(guān)聯(lián)性方面，研究人員發(fā)現(xiàn)SMAD3的第378位賴氨酸發(fā)生Kinic后，并不會(huì)影響SMAD3蛋白的穩(wěn)定性，但發(fā)現(xiàn)SMAD3發(fā)生Kinic后有利于促進(jìn)SMAD3/TGF-β信號(hào)通路下游相關(guān)基因的表達(dá)，并促進(jìn)肝癌細(xì)胞的上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化和侵襲能力。在機(jī)制上，當(dāng)SMAD3發(fā)生Kinic修飾后促進(jìn)其發(fā)生磷酸化，而磷酸化后的SMAD3更容易形成復(fù)合物進(jìn)入細(xì)胞核，進(jìn)而參與到對(duì)下游基因表達(dá)的調(diào)控，具體表現(xiàn)為促進(jìn)間質(zhì)標(biāo)志物基因（例如：N-cadherin，SLUG）的表達(dá)，降低上皮樣標(biāo)志物基因（如：E-cadherin）的表達(dá)（圖3）。

圖2.異煙酰化修飾書寫酶和擦除酶的鑒定

該研究開啟了蛋白質(zhì)酰基化修飾的一個(gè)全新的研究領(lǐng)域，填補(bǔ)了Kinic修飾在非組蛋白部分的空白。同時(shí)將非組蛋白Kinic與腫瘤細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)、遷移和轉(zhuǎn)移聯(lián)系起來，豐富了在蛋白質(zhì)組學(xué)水平上對(duì)PTM調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)功能的新認(rèn)識(shí)。

北京大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院、北京大學(xué)國(guó)際癌癥研究院張宏權(quán)教授為該論文的通訊作者，北京大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院博士研究生李義曉和博新博士后蔣瑀涵為本文的共同第一作者，該研究得到科技部重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)和面上項(xiàng)目、國(guó)家博士后面上基金以及博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃，北京大學(xué)“雙一流國(guó)際頂尖學(xué)科”建設(shè)項(xiàng)目的資助。

圖3. SMAD3異煙酰化修飾促進(jìn)肝癌細(xì)胞上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化的模式圖

原文鏈接：https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(24)02000-5