Nature：血清素竟然也調控基因表達？！

　　美國西奈山伊坎醫學院的Ian Maze領導了這項研究。清華大學醫學院的李海濤課題組、普林斯頓大學等機構的研究人員也參與了研究。這項成果于3月份發表在《Nature》雜志上，有助于人們更好地了解各種腦部疾病，包括情緒失調、藥物濫用/成癮和神經退行性疾病。

　　這項研究圍繞著DNA以及它如何形成每個人的遺傳圖譜展開。眾所周知，DNA纏繞在組蛋白的周圍，形成核小體。當編碼特定基因的DNA緊密纏繞時，這個基因不大可能表達。相反，松散纏繞的基因更有可能表達。不過，血清素對此過程有何影響呢？

　　血清素化位點的鑒定

　　之前的研究表明，血清素通過轉谷氨酰胺酶2（TGM2）的轉酰胺作用與胞質蛋白形成共價鍵。為此，研究人員探索了核蛋白是否也有類似的修飾。首先，他們研究組蛋白是否能作為血清素化（serotonylation）的內源性底物。通過Western blotting和重組TGM2酶分析，他們確認組蛋白H3是血清素化的內源性底物。

　　之后，研究人員利用5-HT開展體外TGM2分析，接著進行靶向液相色譜-串聯質譜（LC-MS/MS）分析，鑒定H3上的血清素化位點。結果表明，血清素化發生在組蛋白H3上的第5位谷氨酰胺（Q5ser）。當谷氨酰胺突變成丙氨酸時，TGM2的轉酰胺基活性喪失。

　　考慮到Q5ser與Lys4相鄰，研究人員接著分析了K4me3對TGM2介導的單酰胺化的潛在影響。他們對未修飾核小體或H3K4me3核小體進行TGM2分析，發現K4me3對單酰胺化修飾無影響。同樣地，Q5ser的存在對MLL1（H3K4甲基轉移酶）體外修飾核小體的能力也沒有影響。于是，他們對H3K4me3Q5ser這種組合開始感興趣。

　　研究人員制備了單修飾（H3Q5ser）和雙修飾（H3K4me3Q5ser）的特異性抗體。他們以含血清素細胞系（RN46A-B14細胞）和成年小鼠的大腦為研究對象，在免疫沉淀后開展LC-MS/MS分析，證實了這些標記存在于哺乳動物細胞和組織中。不過，大腦中僅鑒定出雙重修飾，故后續研究集中在H3K4me3Q5ser。

　　他們接著研究了H3K4me3Q5ser在哺乳動物組織中的分布。他們發現，這種標記廣泛表達，但主要集中在產生5-HT的器官（比如大腦和結腸）。同時，心臟、外周血單核細胞和睪丸中也觀察到穩定的信號。

　　血清素化調控基因表達

　　之后，研究人員檢測了人多能干細胞來源的5-HT神經元在分化前后的H3K4me3Q5ser表達。他們發現，分化導致H3K4me3Q5ser水平顯著增加，同時伴隨著H3K4me3的變化（圖1）。染色質免疫沉淀的結果表明，H3K4me3Q5ser峰的總數也隨著分化而明顯增加。

圖1. H3K4me3Q5ser對人5-HT神經元的分化有反應

　　小鼠大腦在胚胎發育過程中也呈現出一致的結果。與5-HT神經元的結果相似，在發育期間激活的神經元基因表現出H3K4me3和H3K4me3Q5ser的顯著增加，而表達水平維持不變的其他基因則未表現出明顯的標記變化。

　　為了評估Q5ser在這些過程中的作用，研究人員又使用了RN46A-B14細胞培養模型。這些細胞能夠在體外分化以增加5-HT的產生，誘導細胞周期停滯，并促進神經突向外生長的表型。與5-HT神經元和小鼠大腦的數據一致，他們發現RN46A-B14細胞分化導致H3K4me3Q5ser水平的顯著增加。由此推斷，H3K4me3Q5ser可能對基因表達有貢獻。

　　接下來，研究人員直接驗證了H3K4me3Q5ser在基因表達中的作用。他們制備了表達野生型H3.3或突變體H3.3（Q5A）的慢病毒，這個突變阻止了血清素化，但不影響H3第4位賴氨酸的三甲基化能力，并將其轉導到分化的RN46A-B14細胞。數據表明，與內源性H3K4me3Q5ser表達的競爭改變了靶基因的水平，對非靶位點幾乎沒有影響。在此期間，他們采用了賽業生物（Cyagen Biosciences）的慢病毒包裝服務。

　　在進一步探究H3K4me3Q5ser的作用機制時，研究人員以H3K4me3結合蛋白為對象，評估了Q5ser與K4me3組合的存在是否影響這些結合事件。他們發現，結合增強的是轉錄因子復合物TFIID的15個成員。隨后的免疫沉淀和western blotting分析證實了TFIID與H3K4me3之間的相互作用得以增強（圖2）。這意味著，血清素化讓部分DNA變得松散，從而增強了基因表達。

圖2. H3K4me3Q5ser增強了TFIID與H3K4me3的相互作用

　　作者表示，H3Q5的血清素化代表了組蛋白上第一個內源性的單酰胺化修飾，也代表了組蛋白谷氨酰胺殘基上第一個非甲基化翻譯后修飾。關于組蛋白血清素化的體內功能，還有許多問題待研究。比如，血清素對基因表達的調控是否也在情緒調節中發揮作用？這些新知識是否有助于開發更好的藥物來治療抑郁癥或情緒失調？