西湖大学吴明轩团队开发新的方法，具有发展精确表观基因组编辑的潜力

组蛋白H3尾部的翻译后修饰(PTMs)控制染色质结构，影响表观遗传学和基因表达。目前的化学方法包括非自然氨基酸结合和蛋白质剪接，可以在细胞环境中制备具有不同PTMs的组蛋白，但它们并不适用于编辑原生染色质。

2022年10月28日，西湖大学吴明轩团队在Angewandte Chemie-International Edition（IF=17）在线发表题为“A General Method to Edit Histone H3 Modifications on Chromatin Via Sortase-Mediated Metathesis”的研究论文，该研究开发了一种通过分选酶介导的复分解编辑染色质组蛋白H3修饰的通用方法。

组蛋白修饰酶的操作改变内源性组蛋白PTMs，但大多数组蛋白修饰酶缺乏特异性，无法精确控制特定的H3尾部PTM模式。本文报道了一种通过分选酶介导的复分解(SMM)编辑组蛋白H3 N-tail的新方法。该分选酶可以在体外和细胞内将所需的PTM模式安装到核小体上的组蛋白H3中。本研究利用细胞穿透肽(CPPs)将分选酶在活细胞中的应用范围从结扎扩展到复分解。此外，它提供了一种编辑细胞组蛋白H3的PTMs的策略，具有发展精确表观基因组编辑的潜力。

组蛋白H3是染色质的四个核心组蛋白之一，组蛋白H3 N尾的翻译后修饰(PTMs)在染色质结构和基因转录的调控中起着重要作用。H3K9和H3K27甲基化是异染色质的hall标记，这是一种致密构象，其中DNA无法进入转录机制，基因表达被沉默。也有一些新发现的组蛋白赖氨酸酰化，包括crotonylation酰基化和乳糖酰化，被揭示为活性标记，尽管其丰度远低于经典的赖氨酸甲基化和乙酰化。组蛋白H3修饰的失调可能导致发育障碍和癌症。Tazemetostat是FDA批准的一类EZH2抑制剂，该抑制剂可导致癌细胞中组蛋白H3K27过度甲基化。因此，能够精确操纵组蛋白修饰的化学工具受到基础研究人员和治疗应用的高度追捧。

目前，操纵组蛋白修饰的方法主要有三种。第一种方法是遗传密码扩展(GCE)。使用琥珀密码子和正交氨基酰 tRNA合成酶将非天然氨基酸如乙酰赖氨酸结合到组蛋白中。第二种方法是蛋白质反式剪接(PTS)。合成的断裂蛋白质内含子组蛋白肽被送入细胞核，与断裂蛋白质内含子截短组蛋白发生反式剪接后合成全长组蛋白。第三种策略是操纵组蛋白修饰酶。高效和选择性小分子可以通过抑制酶的催化活性影响组蛋白修饰。另外，组蛋白修饰酶的催化结构域和DNA序列识别结构域的融合蛋白允许组蛋白PTMs的局部特异性调控。

机理模式图（图源自Angewandte Chemie-International Edition ）

虽然这些方法在某些生物学应用中有价值，但在技术上有局限性。首先，GCE和基于组蛋白修饰酶的方法只能控制一种类型的修饰，尽管不同的组蛋白多价修饰在生物学上更相关。其次，GCE和PTS方法无法编辑染色质上的原生组蛋白。第三，尽管酶能够控制天然底物上的PTMs，但特异性赖氨酸酰基化不能引入。例如，酰基转移酶p300使用一系列酰基辅酶A形式催化不同的赖氨酸酰化转化，但融合蛋白不能控制特定类型的酰基进行组蛋白修饰。第四，由于组蛋白修饰之间的串扰，组蛋白修饰酶对特定的组蛋白底物的催化活性可能不高。例如，在H3S10磷酸化的情况下，G9a不能将甲基转移到H3K9。此外，在H3K14ac存在的情况下，LSD1不能脱甲基H3K4me2。因此，需要有额外的方法来克服这些限制。

分选酶介导的连接(SML)是一种广泛使用的方法，用PTMs制备半合成蛋白。分选酶A是一种参与肽聚糖生物合成的细菌转肽酶。分选酶A的催化Cys184攻击保守排序基序LPXTGG中的TG酰胺键，形成一个硫酯中间体，然后转位到另一个具有N端Gly-Gly序列的底物上。由于分选酶的底物通常不透细胞，除了涉及细胞表面蛋白的情况外，SML主要局限于体外应用。Lang小组报告了一个活细胞中用于蛋白质泛素化的SML病例，但由于需要多个质粒共转染，并且需要非自然氨基酸的掺入，该系统很费力。

在这里，该研究描述了分选酶介导的复分解(SMM)及其在活细胞中组蛋白H3 N-Tail 编辑中的应用。分选酶转位能够在组蛋白H3上引入不同的修饰，这些修饰不依赖于染色质上已有的组蛋白修饰。此外，该复分解允许在活细胞中使用具有细胞穿透序列的肽底物，编辑组蛋白H3上的新修饰可能会影响表观遗传学。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202209945

转自：“iNature”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！