組蛋白乙酰化作為蛋白質翻譯后修飾，主要由組蛋白乙酰轉移酶（Histone acetyltransferase, HAT）和組蛋白去乙酰化酶（Histone deacetylase, HDAC）動態調控，并且受生物細胞中乙酰CoA代謝水平的影響。乙酰CoA作為一種反映細胞能量狀態的重要中間代謝產物，主要是由糖酵解途徑中的檸檬酸裂解酶（ATP citrate lyase, ACL）裂解檸檬酸產生。近期研究表明，ACL調控乙酰CoA的水平可以介導H3多個位點（H3K9/14/27）的乙酰化修飾狀態進而在肌細胞分化中起著重要調控作用。然而，代謝酶ACL是如何維持細胞微環境中局部乙酰CoA濃度以及參與組蛋白乙酰化修飾調控的，目前還不是特別清楚。
近日，華中農業大學作物遺傳改良全國重點實驗室、湖北洪山實驗室水稻團隊周道繡教授課題組在國際期刊Nature Communications在線發表了題為“ACL and HAT1 form a nuclear module to acetylate histone H4K5 and promote cell proliferation”的研究論文，揭示了植物細胞中能量代謝與表觀遺傳修飾調控細胞分裂的分子機制。
為了探究能量代謝中間產物乙酰CoA對組蛋白修飾的調控，作者利用CRISPR/Cas9技術創建了對水稻ACL A家族成員的突變體。表型考察發現，acla2胚和胚乳發育遲緩、胚乳游離核的數目顯著減少，同時根分生組織區細胞數目減少。這表明A，CLA2的功能缺失阻滯了早期胚乳和根分生組織區的細胞分裂進程。為了一步探究ACL的活性是否會影響組蛋白乙酰化，作者對acla2突變體進行了乙酰CoA含量測定，結果顯示，細胞核中乙酰CoA水平顯著降低并導致組蛋白H3K14 和H4K5位點的乙酰化修飾水平顯著下降。這表明ACLA2突變會通過降低細胞核中乙酰CoA濃度進而影響組蛋白特異位點的乙酰化修飾水平。
ACLA2是否能夠通過選擇性調控組蛋白乙酰轉移酶的酶活進而參與特定位點的組蛋白乙酰化修飾調控？作者通過酵母雙雜交實驗篩選到與ACLA2相互作用的組蛋白乙酰轉移酶HAT1（HAG704），并通過一系列生化實驗也證實在水稻體內的互作。接著創建了hag704單突以及hag704 alca2雙突變材料，表型考察顯示hag704具有與acla2類似的種子發育缺陷和根生長異常，且雙突變體也呈現出與單突變體相似的特征。這表明二者共同參與了胚乳及根分生組織區細胞分裂的調控。為了進一步解析ACLA2和HAG704相互作用的分子機制，Western Blot及體外酶活實驗發現HAG704特異的調控組蛋白H4K5和H4K16位點乙酰化，且ACLA2通過與HAG704互作促進了HAG704在H4K5位點的酶活。轉錄組和CUT&Tag數據分析也表明HAG704和ACLA2共同調控了胚乳游離核中大量相同基因組位點的H4K5ac修飾水平，其中包括淀粉或葡萄糖生物合成以及其他能量代謝基因。此外，細胞周期分析結果表明ACLA2和HAG704介導的H4K5位點的乙酰化也是DNA復制所必需的。
綜上所述，該研究揭示了水稻中檸檬酸裂解酶ACL與組蛋白乙酰轉移酶HAG704之間的相互作用機制，并發現它們在特定基因組區域中建立和維持乙酰輔酶A濃度，進而調控組蛋白乙酰化和細胞分裂。這一發現拓展了我們對代謝酶參與表觀修飾調控的認識，并揭示了植物細胞中能量代謝與細胞分裂之間復雜的耦合機制，為進一步探索能量代謝和組蛋白乙酰化在植物生長發育調控中的作用機制提供了重要線索。
本研究得到國家自然科學基金創新群體項目、重點項目和青年項目的資助，華中農業大學生命科學技術學院、湖北省洪山實驗室和作物遺傳改良全國重點實驗室徐秋濤博士和博士研究生岳亞萍為論文共同第一作者，周道繡教授為文章通訊作者，趙毓教授也參與本研究工作。
英文摘要：
Acetyl-CoA utilized by histone acetyltransferases （HAT） for chromatin modification is mainly generated by ATP-citrate lyase （ACL） from glucose sources. How ACL locally establishes acetyl-CoA production for histone acetylation remains unclear. Here we show that ACL subunit A2 （ACLA2） is present in nuclear condensates, is required for nuclear acetyl-CoA accumulation and acetylation of specific histone lysine residues, and interacts with Histone AcetylTransferase1 （HAT1） in rice. The rice HAT1 acetylates histone H4K5 and H4K16 and its activity on H4K5 requires ACLA2. Mutations of rice ACLA2 and HAT1 （HAG704） genes impair cell division in developing endosperm, result in decreases of H4K5 acetylation at largely the same genomic regions, affect the expression of similar sets of genes, and lead to cell cycle S phase stagnation in the endosperm dividing nuclei. These results indicate that the HAT1-ACLA2 module selectively promotes histone lysine acetylation in specific genomic regions and unravel a mechanism of local acetyl-CoA production which couples energy metabolism with cell division.
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-39101-4#peer-review
日期：2023-06-13
近日，華中農業大學作物遺傳改良全國重點實驗室、湖北洪山實驗室水稻團隊周道繡教授課題組在國際期刊Nature Communications在線發表了題為“ACL and HAT1 form a nuclear module to acetylate histone H4K5 and promote cell proliferation”的研究論文，揭示了植物細胞中能量代謝與表觀遺傳修飾調控細胞分裂的分子機制。
為了探究能量代謝中間產物乙酰CoA對組蛋白修飾的調控，作者利用CRISPR/Cas9技術創建了對水稻ACL A家族成員的突變體。表型考察發現，acla2胚和胚乳發育遲緩、胚乳游離核的數目顯著減少，同時根分生組織區細胞數目減少。這表明A，CLA2的功能缺失阻滯了早期胚乳和根分生組織區的細胞分裂進程。為了一步探究ACL的活性是否會影響組蛋白乙酰化，作者對acla2突變體進行了乙酰CoA含量測定，結果顯示，細胞核中乙酰CoA水平顯著降低并導致組蛋白H3K14 和H4K5位點的乙酰化修飾水平顯著下降。這表明ACLA2突變會通過降低細胞核中乙酰CoA濃度進而影響組蛋白特異位點的乙酰化修飾水平。
ACLA2是否能夠通過選擇性調控組蛋白乙酰轉移酶的酶活進而參與特定位點的組蛋白乙酰化修飾調控？作者通過酵母雙雜交實驗篩選到與ACLA2相互作用的組蛋白乙酰轉移酶HAT1（HAG704），并通過一系列生化實驗也證實在水稻體內的互作。接著創建了hag704單突以及hag704 alca2雙突變材料，表型考察顯示hag704具有與acla2類似的種子發育缺陷和根生長異常，且雙突變體也呈現出與單突變體相似的特征。這表明二者共同參與了胚乳及根分生組織區細胞分裂的調控。為了進一步解析ACLA2和HAG704相互作用的分子機制，Western Blot及體外酶活實驗發現HAG704特異的調控組蛋白H4K5和H4K16位點乙酰化，且ACLA2通過與HAG704互作促進了HAG704在H4K5位點的酶活。轉錄組和CUT&Tag數據分析也表明HAG704和ACLA2共同調控了胚乳游離核中大量相同基因組位點的H4K5ac修飾水平，其中包括淀粉或葡萄糖生物合成以及其他能量代謝基因。此外，細胞周期分析結果表明ACLA2和HAG704介導的H4K5位點的乙酰化也是DNA復制所必需的。
綜上所述，該研究揭示了水稻中檸檬酸裂解酶ACL與組蛋白乙酰轉移酶HAG704之間的相互作用機制，并發現它們在特定基因組區域中建立和維持乙酰輔酶A濃度，進而調控組蛋白乙酰化和細胞分裂。這一發現拓展了我們對代謝酶參與表觀修飾調控的認識，并揭示了植物細胞中能量代謝與細胞分裂之間復雜的耦合機制，為進一步探索能量代謝和組蛋白乙酰化在植物生長發育調控中的作用機制提供了重要線索。
本研究得到國家自然科學基金創新群體項目、重點項目和青年項目的資助，華中農業大學生命科學技術學院、湖北省洪山實驗室和作物遺傳改良全國重點實驗室徐秋濤博士和博士研究生岳亞萍為論文共同第一作者，周道繡教授為文章通訊作者，趙毓教授也參與本研究工作。
英文摘要：
Acetyl-CoA utilized by histone acetyltransferases （HAT） for chromatin modification is mainly generated by ATP-citrate lyase （ACL） from glucose sources. How ACL locally establishes acetyl-CoA production for histone acetylation remains unclear. Here we show that ACL subunit A2 （ACLA2） is present in nuclear condensates, is required for nuclear acetyl-CoA accumulation and acetylation of specific histone lysine residues, and interacts with Histone AcetylTransferase1 （HAT1） in rice. The rice HAT1 acetylates histone H4K5 and H4K16 and its activity on H4K5 requires ACLA2. Mutations of rice ACLA2 and HAT1 （HAG704） genes impair cell division in developing endosperm, result in decreases of H4K5 acetylation at largely the same genomic regions, affect the expression of similar sets of genes, and lead to cell cycle S phase stagnation in the endosperm dividing nuclei. These results indicate that the HAT1-ACLA2 module selectively promotes histone lysine acetylation in specific genomic regions and unravel a mechanism of local acetyl-CoA production which couples energy metabolism with cell division.
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-39101-4#peer-review
日期：2023-06-13
