科研人員創造出含有定點共翻譯修飾核小體的酵母菌

　　隨著蛋白質譜技術的發展，許多組蛋白賴氨酸殘基的酰化修飾被鑒定出來，其中巴豆酰化修飾是一類在酵母、哺乳動物等真核生物中保守存在的組蛋白酰化修飾。自2011年被發現以來，巴豆酰化修飾儼然成為了領域內的研究熱點。這是因為該修飾是一種重要的表觀遺傳機制調節基因轉錄的翻譯后修飾。盡管巴豆酰化和乙酰化基團的化學結構類似，卻可能存在不同于乙酰化修飾的生物學功能。因此，揭示不同酰化修飾在組蛋白同一位點的生物學功能差異是研究組蛋白酰化修飾的難點問題。

圖1 含有CTM核小體的釀酒酵母菌株

　　中國科學院深圳先進技術研究院合成生物學研究所羅小舟課題組與北京大學藥學院劉濤課題組以及北京大學基礎醫學院劉小云課題組合作，在Angew. Chem. Int. Ed.上在線發表了題為Creation of a Yeast Strain with Co-translationally Acylated Nucleosomes的研究論文。

　　2002年，科學家研究表明，自然界中的產甲烷菌存在一套正交的翻譯機器，可識別琥珀密碼子（TAG），將除20種經典氨基酸以外的吡咯賴氨酸通過遺傳編碼的方式編碼到蛋白中。因此，吡咯賴氨酸成為了古生菌中一種獨特存在的共翻譯修飾（Co-Translational Modification，CTM）方式。受到這一修飾方式的啟發，研究團隊以釀酒酵母為模式生物，借助基因密碼子擴展（Genetic Code Expansion，GCE）技術創造出一種含有CTM核小體的酵母菌株。他們發現與組蛋白H3K56位點巴豆酰化共修飾相比，該菌株中組蛋白H3K56位點的乙酰化共修飾能夠為釀酒酵母DNA損傷修復提供更為有利的染色質環境，且二者對其他位點翻譯后修飾（Post-translational Modification，PTM）豐度的影響也存在一定差異（圖1）。該研究探索性地將定點共翻譯修飾作為合成表觀遺傳學的研究手段，為真核生物中不同組蛋白酰化修飾生物學功能的研究提供了一種不可替代的研究方法。

　　基因密碼子擴展技術即通過與宿主生物正交的氨酰tRNA合成酶（aminoacyl-tRNA synthetase, aaRS）/tRNA對，將非經典氨基酸（Non-canonical Amino Acid，ncAA）編碼到宿主目標蛋白的特定位點上。研究人員匯總了現有的釀酒酵母基因密碼子擴展體系（包括PylRS和E.coli LeuRS體系），將EGFP的熒光信號強度作為GCE體系編碼效率的評估指標，并構建了一系列GCE體系，比較這些體系將乙酰賴氨酸（Acetyl-lysine，AcK）插入到EGFP特定位點的效率，從中篩選出插入效率高且正交的GCE體系——PLRS/4xtRNALeu對（圖2a）。同時研究人員發現PLRS/4xtRNALeu對巴豆酰賴氨酸（Crotonyl-lysine，CroK）以及AcK類似物KetoTK具有較好的兼容性（圖2b）。

　　在CTM菌株中，基因組編碼的野生型組蛋白H3被CTM組蛋白H3突變體所取代。組蛋白H3突變體可借助釀酒酵母基因密碼子擴展體系對其56位點進行ncAA突變獲得。這一菌株被命名為pM56菌株（圖2c），該菌株呈現出ncAAs依賴生長的特性，即在含有一定濃度ncAAs的培養基中，pM56菌株才能存活。研究人員針對不同pM56菌株中組蛋白H3K56位點酰化修飾水平進行定量蛋白組學研究，結果表明，pM56AcK菌株中組蛋白H3K56位點的乙酰化修飾水平（～12%）低于野生型酵母菌株（～23%），pM56CroK菌株中組蛋白H3K56位點除存在～14%的巴豆酰化修飾以外，還存在～10%的乙酰化修飾，這說明pM56菌株中存在動態的修飾調控過程。為了研究組蛋白H3K56位點發生乙酰化共修飾或巴豆酰化共修飾之后，二者的生物學功能存在哪些差異，研究人員做了pM56菌株DNA損傷耐受實驗，比較pM56AcK和pM56CroK菌株對甲磺酸甲酯（methyl methanesulfonate，MMS）的耐受差異，結果顯示，pM56AcK對MMS的耐受程度高于pM56CroK菌株（圖3a）。RNA測序結果顯示，相比于MMS處理的pM56CroK菌株，pM56AcK菌株中水解酶表達水平顯著性上調，酵母生殖和細胞壁相關的基因也出現了上調表達的情況，而pM56CroK菌株中激酶相關基因表達水平上調（圖3b）。

　　該研究通過跨學科交叉合作，基于釀酒酵母的基因密碼子擴展體系，探索性地將定點共翻譯修飾作為合成表觀遺傳學的研究手段，創造了另一種可能的生命形式，即通過人為引入共翻譯修飾的方式維持酵母生命活動的生命形式。這一特殊的生命體不僅為探索真核生物組蛋白翻譯后修飾錯綜復雜的生物學功能提供了更多可能性，同時也為研究在漫長進化過程中翻譯后修飾的角色演變提供了新的思路和視角。

　　該研究工作獲得到國家自然科學基金項目、深圳合成生物學創新研究院對外開放基金項目、國家重點研發計劃項目以及北京市自然科學基金項目的支持。