2022年5月30日，北京大学药学院天然药物及仿生药物国家重点实验室刘涛团队与中科院深圳先进技术研究院合成生物学研究所罗小舟团队、北大基础医学院刘小云团队合作，在国际著名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上在线发表了最新研究成果:“Creation of a Yeast Strain with Co-translationally Acylated Nucleosomes”。
组蛋白翻译后修饰是表观遗传学的重要研究内容之一，也是药物开发的重要靶点，例如HDAC抑制剂的开发。随着蛋白质谱技术的发展，许多组蛋白赖氨酸残基的酰化修饰被鉴定出来，其中组蛋白巴豆酰化修饰是一类在酵母、哺乳动物等真核生物中保守存的酰化修饰。自2011年被发现以来，组蛋白巴豆酰化修饰俨然成为了领域内的研究热点。这是因为该修饰是一种重要的表观遗传机制调节基因转录的翻译后修饰。尽管巴豆酰化修饰和乙酰化修饰基团的化学结构类似，却可能存在不同于乙酰化修饰的生物学功能。因此，揭示不同酰化修饰在组蛋白同一位点的生物学功能差异是研究组蛋白酰化修饰的难点问题。
自然界中的产甲烷菌存在一套正交的翻译机器，可识别琥珀密码子（TAG），将除20种经典氨基酸以外的吡咯赖氨酸通过遗传编码的方式编码到蛋白中。因此，吡咯赖氨酸成为了古生菌中一种独特存在的共翻译修饰（Co-Translational Modification，CTM）方式。受到这一修饰方式的启发，刘涛团队以酿酒酵母为模式生物，通过基因密码子扩展（Genetic Code Expansion, GCE）技术在组蛋白H3K56位点引入CTM，创造了一种含有CTM核小体的酵母菌（pM56）用于研究酿酒酵母同一位点乙酰化修饰和巴豆酰化修饰的生物学功能差异。
pM56菌株中基因组编码的野生型组蛋白H3被CTM组蛋白H3突变体所取代，组蛋白H3突变体可借助筛选优化的酿酒酵母GCE体系（PLRS/4xtRNALeu）对其56位点进行非经典氨基酸突变获得。该菌株仅在含有CTM氨基酸（乙酰赖氨酸AcK、巴豆酰赖氨酸CroK以及乙酰赖氨酸类似物KetotK）的培养基中存活。
为研究组蛋白不同酰化修饰对DNA损伤修复的影响，研究人员使用DNA损伤试剂处理pM56菌株。结果表明，和组蛋白H3K56位点巴豆酰化共修饰相比，该菌株中组蛋白H3K56位点的乙酰化共修饰能够为酿酒酵母DNA损伤修复提供更为有利的染色质环境。转录组学分析结果表明，相比于DNA损伤试剂处理的pM56CroK菌株，pM56AcK菌株中水解酶表达水平显著性上调，酵母生殖和细胞壁相关的基因也出现了上调表达的情况，而pM56CroK菌株中激酶相关基因表达水平上调。同时，结合定量蛋白组学技术分析组蛋白H3K79位点甲基化水平（包括单甲基化、二甲基化和三甲基化），作者发现不同酰化修饰对H3K79位点甲基化修饰的影响也存在一定的差异。
本研究通过跨学科交叉合作，基于酿酒酵母的基因密码子扩展体系，探索性地将定点共翻译修饰作为合成表观遗传学的研究手段，创造了另一种可能的生命形式，即通过人为引入共翻译修饰的方式维持酵母生命活动的生命形式。这一特殊的生命体为真核生物中不同组蛋白酰化修饰生物学功能的研究提供了一种不可替代的研究方法。
吴丹（左），刘涛（中），陈晓旭（右）
北京大学硕士生毕业生吴丹、博士后陈晓旭（现NWPU 博士后）、中国科学院深圳先进技术研究院助理研究员张云丰和北京大学博士生唐志恒为该论文的共同第一作者，刘涛研究员、中科院深圳先进技术研究院合成生物学研究所罗小舟研究员和北京大学基础医学院刘小云研究员为共同通讯作者。天然药物及仿生药物国家重点实验室仪器平台师晓萌、张晓辉和李军老师在蛋白鉴定、蛋白组学和化合物鉴定等实验中提供了重要帮助。该研究获得到国家自然科学基金项目、深圳合成生物研究所开放基金项目、国家重点研发计划项目以及北京市自然科学基金项目的资助支持。
论文链接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202205570
【刘涛研究员简介】
刘涛，博士，北京大学药学院长聘研究员，博士生导师，分子与细胞药理学系主任，天然药物及仿生药物国家重点实验室PI，化学生物学交叉中心PI，北大医学-惠大基因密码子创新联合实验室负责人。国家海外高层次人才计划入选者、国家优秀青年科学基金获得者、北京市杰出青年基金获得者。任中国医药生物技术协会委员合成生物学分会委员，中国生物医学工程学会青工委委员，获中国药学会以岭生物医药青年奖，拜耳研究员奖，北大王选青年学者奖等。以通讯作者身份在Nat Chem Biol、Mol Cell、Sci Adv、JACS、Angew Chem、Cell Chem Biol等国际高水平期刊发表一系列研究论文。担任Journal of Molecular Biology编委，Chinese Chemical Letter编委等。研究集中在蛋白质药物化学修饰，基因编辑与细胞治疗，发展了含有人造氨基酸的蛋白质创新药物，应用在肿瘤及基因治疗等多种领域，从而促进了生物药物的升级换代。
天然药物及仿生药物国家重点实验室 供稿
