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組蛋白(bái)的甲基化狀态影響染色質結構和(hé)基因表達。組蛋白(bái)去甲基化酶活性影響這(zhè)些(xiē)調節甲基化标記的分布。研究人員發現(xiàn)一種稱爲α-酮戊二酸脫氫酶（KGDH）的酶結合并抑制組蛋白(bái)去甲基化酶的活性。KGDH通常與線粒體中的呼吸三羧酸循環有關，但(dàn)其底物α-酮戊二酸也(yě)是組蛋白(bái)去甲基化酶活性所必需的。KGDH酶進入拟南芥細胞的細胞核，可以直接與組蛋白(bái)去甲基化酶和(hé)染色質相互作(zuò)用(yòng)。結果，組蛋白(bái)去甲基化和(hé)基因表達都被KGDH改變，爲KGDH提供了(le)呼吸代謝(xiè)以外(wài)的替代作(zuò)用(yòng)。
研究背景
核小(xiǎo)體組蛋白(bái)的甲基化在調節真核轉錄和(hé)其他(tā)基于染色質的過程中發揮基本作(zuò)用(yòng)。包含Jumonji C結構域的組蛋白(bái)去甲基化酶(JMJs)存在于包括動物、植物和(hé)真菌在内的大(dà)多數真核生物中，可動态控制組蛋白(bái)甲基化。因此，JMJs在調節基因表達方面起着普遍的作(zuò)用(yòng)。JMJs是α-酮戊二酸(α-KG)/鐵(tiě)(II)依賴的雙加氧酶，利用(yòng)共底物α-KG和(hé)氧通過氧化從(cóng)賴氨酸殘基中去除甲基。
在植物和(hé)/或動物中，某些(xiē)JMJs的組蛋白(bái)去甲基化活性受到(dào)多種機制的調節，包括一些(xiē)JMJs的翻譯後修飾，以及一些(xiē)JMJs相關蛋白(bái)、代謝(xiè)物和(hé)共底物氧的調節。目前尚不清楚其他(tā)代謝(xiè)α-KG的酶如何調節核JMJ活性。
實驗過程
研究人員構建了(le)幾個α-酮戊二酸脫氫酶(KGDH)功能(néng)缺失的拟南芥突變體，發現(xiàn)KGDH不僅在控制細胞内的α-KG總量、TCA循環通量和(hé)細胞呼吸中起主要作(zuò)用(yòng)，而且還調節生長發育的各個方面。KGDH缺陷的突變體表現(xiàn)出強效抗氧化劑花(huā)青素的積累，向開(kāi)花(huā)的發育過渡的顯著延遲，以及梢發育的減緩。接下(xià)來(lái)，通過共聚焦熒光成像，發現(xiàn)一小(xiǎo)部分KGDH進入細胞核。這(zhè)一過程受光照調節。随後誘變了(le)KGDH亞基E2的核定位信号，發現(xiàn)線粒體定位的KGDH不能(néng)挽救E2突變體中的生長和(hé)發育異常。
對(duì)各種組蛋白(bái)甲基化标記的生化測定表明(míng)，細胞核KGDH似乎抑制了(le)整體組蛋白(bái)去甲基化。研究團隊假設KGDH可能(néng)與JMJs偶聯來(lái)調節組蛋白(bái)甲基化。事(shì)實上(shàng)，進一步的蛋白(bái)-蛋白(bái)相互作(zuò)用(yòng)實驗表明(míng)，核内KGDH直接與多種jmj相互作(zuò)用(yòng)，包括組蛋白(bái)3賴氨酸4、組蛋白(bái)3賴氨酸9和(hé)組蛋白(bái)3賴氨酸27的去甲基化酶。
研究人員利用(yòng)RNA測序和(hé)染色質免疫共沉澱結合DNA測序，探索了(le)核KGDH在控制拟南芥全基因組組蛋白(bái)甲基化和(hé)基因表達中的功能(néng)。KGDH在基因組中占據數千個位點，與組蛋白(bái)甲基化區(qū)域相關。轉錄組學分析顯示，在KGDHs缺陷的突變體中，數千個基因發生了(le)錯誤調節，尤其是環境應答(dá)基因。生化分析發現(xiàn)核KGDH催化α-KG的氧化脫羧，從(cóng)而降低(dī)與KGDH偶聯的JMJs對(duì)α-KG的局部利用(yòng)率。減少α-KG導緻JMJs抑制組蛋白(bái)去甲基化。
進一步設計(jì)一個KGDH亞基以增強其核靶向性，這(zhè)導緻JMJs進一步抑制組蛋白(bái)去甲基化。此外(wài)，還發現(xiàn)核内KGDH-JMJ組合可以激活或抑制靶基因的表達，這(zhè)依賴于局部組蛋白(bái)甲基化标記的讀出。
通過蛋白(bái)質相互作(zuò)用(yòng)實驗，發現(xiàn)了(le)來(lái)自(zì)人類和(hé)小(xiǎo)鼠的一個KGDH亞基的羧基末端區(qū)域與哺乳動物JMJs發生了(le)相互作(zuò)用(yòng)。因此，在哺乳動物細胞和(hé)其他(tā)真核生物中，與JMJs的KGDH關聯是保守的。
這(zhè)項研究表明(míng)除了(le)在植物中，KGDH可能(néng)與JMJs一起在哺乳動物中發揮作(zuò)用(yòng)，控制組蛋白(bái)去甲基化和(hé)基因表達。
在植物中，光通過JMJs促進TCA循環相關酶KGDH的核靶向來(lái)調節組蛋白(bái)去甲基化
原文(wén)：
Methylations on nucleosomal histones play fundamental roles in regulating eukaryotic transcription. Jumonji C domain–containing histone demethylases (JMJs) dynamically control the level of histone methylations. However, how JMJ activity is generally regulated is unknown. We found that the tricarboxylic acid cycle–associated enzyme α-ketoglutarate (α-KG) dehydrogenase (KGDH) entered the nucleus, where it interacted with various JMJs to regulate α-KG–dependent histone demethylations by JMJs, and thus controlled genome-wide gene expression in plants. We show that nuclear targeting is regulated by environmental signals and that KGDH is enriched at thousands of loci in Arabidopsis thaliana. Chromatin-bound KGDH catalyzes α-KG decarboxylation and thus may limit its local availability to KGDH-coupled JMJs, inhibiting histone demethylation. Thus, our results uncover a regulatory mechanism for histone demethylations by JMJs.
