H3K18乳酰化标记组织特异性的活性增强子

   大家好，今天给大家分享的文章是 2022 年 10 月， 苏黎世联邦理工学院营养和代谢表观遗传学研究团队 发表在 Genome   B iology 上名为 H3K18 lactylation marks tissue‑specifc active enhancers 的研究性论文， 该文章发现 H3K18la 不仅可以标记活性启动子，还可以标记组织特异的活性增强子 。

研究背景

   组蛋白修饰能够调节 DNA 可及性、染色质结构以及基因表达，自 1964 年发现组蛋白乙酰化和甲基化以来，被报道的组蛋白翻译后修饰（ hPTM ）的数量明显增加， 2019 年赵英明课题组首次描述了组蛋白赖氨酸残基乳酰化作用，将代谢与表观遗传基因调控联系起来。目前为止，在人类、小鼠、植物、真菌和寄生虫（原生生物）样本中已经报道了超过 30 个组蛋白乳酰化位点，围绕组蛋白 3 赖氨酸残基 18 的乳酰化（ H3K18la ）进行了详细研究，其在基因启动子上高度富集，并与癌细胞和巨噬细胞中的相关基因的活跃表达相关。但目前数研究的集中在总体乳酰化水平的变化， H3K18la 在全基因组的分布及其与其他组蛋白的修饰和基因表达的关系鲜有报道。

研究内容

1. H3K18la 标记活性启动子

   首先，作者探究了大量的体外和体内样本中 H3K18la 的全基因分布。因为组蛋白乳酰化与糖酵解活性和乳酸水平相关，因此作者选择了发育阶段和有丝分裂活性不同的样本，包括 naïve 小鼠胚胎干细胞（ mESC-2i ）、 primed 小鼠胚胎干细胞（ mESC-Ser ）、成肌细胞（ MB ）、肌管细胞（ MT ）、小鼠腓肠肌细胞（ GAS ）、脂肪组织（ ADIPO ）、骨髓源性巨噬细胞（ BMDM ）、缺血后巨噬细胞（ PIM ），这些样本的代谢范围广，且胞内乳酸水平也不相同。 Western blotting 实验表明 H3K18la 存在于上述所有细胞和组织中（图 1A ）。

   为了进一步研究 H3K18la 的功能，作者运用 CUT-Tag 技术构建了 H3K18la 、 H3K4me3 和 H3K27ac （活跃 PTM 标记）以及 H3K27me3 （抑制 PTM 标记）的测序文库，以深入探究他们的基因组定位。首先，作者采用多维尺度分析（ MDS 分析）在全基因组范围内比较了上述数据集，根据标记类型（活跃或抑制）、样本来源以及特定的 hPTM 对样本进行聚类，结果表明对于上述各种细胞类型， H3K18la 样本聚集更接近于 H3K27ac 样本，并且发育特性对 H3K18la 的基因组分布具有重要意义（图 1B ）。

   接下来，作者使用 “ SEACR peak calling ”来定义 hPTM ，对定量的 H3K18la 峰进行相关性分析表明 mESC H3K18la 与其他分化细胞的差异最大（图 1C ）。与先前赵英明课题组的研究结果一致，作者发现 H3K18la 峰大多定位于转录起始点 TSS 附近，并与基因的启动子或内含子重叠（图 1D ）。基因组特征尺寸校正富集分析显示 H3K18la 信号在 CpG 岛（ CGI ）启动子中显著富集，而在非 CGI 启动子中没有富集（图 1E ）。

   为了研究启动子是否会被不同组合的活性组蛋白翻译后修饰标记，作者分析了被 H3K4me3 、 H3K27ac 、 H3K18la 标记的共同启动子（图 1F ），结果表明大约一半的 H3K4me3 标记的启动子也被 H3K18la 标记。综上所述，作者发现 H3K18la 主要富集于活性基因启动子（ CGI ）子集中，并且 H3K18la 启动子水平和基因表达与公认的活性标记 H3K4me3 和 H3K27ac 呈正相关。

2. H3K18la 标记活性增强子

   上述结果表明 H3K18la 峰在 TSS 附近明显富集，但也有一部分峰落在 TSS 远端（＞ 2kb ），且不与启动子区域重叠，而是定位于内含子和基因间区域。此外，前面全基因组相关性分析显示 H3K18la 与 H3K27ac 相似， H3K27ac 既可以标记启动子又可以标记增强子，因此，作者猜测 H3K18la 是否也能标记增强子。为了验证 H3K18la 是否标记了增强子：

   首先，作者进行了一 项无监督的 ChromHMM 分析 ，该分析能够获得在全基因组范围内存在或不存在 H3K4me3 的条件下， H3K18la 与 H3K27ac 的共存情况。分析结果显示，在不存在 H3K27ac 的条件下， H3K18la 与 H3K4me3 不会共存，且 H3K27ac+H3K18la 主要富集于内含子和非 CGI 启动子区域（图 2A ）。为了探究该 ChromHMM state 是否代表增强子区域，作者计算了 ChromHMM 状态富集在数据库 ENCODE 的情况，结果显示多数远端增强子样序列（ dELS ）仅被 H3K18la 峰标记（图 2B ）。

   接下来，作者 将其 hPTM 的数据集与公共 ChIP-seq 的数据集进行比较 ，结果显示， CUT-Tag 数据集与公共数据集匹配良好， H3K18la 与 H3K27ac 比 H3K4me1 有更好的重叠，这表明 H3K18la 能够标记组织特异性的活性增强子。为了进一步验证上述结果，作者 收集了文献中公认的增强子信息 ，并计算了增强子的哪些部分能够与 H3K18la 峰重合，结果显示超过 60% 的已发表的组织特异性增强子能够被本研究组织对应的 H3K18la 峰覆盖（图 2C ）。此外，作者分析了增强子的哪些部分能够被不同组合的 H3K18la 、 H3K4me3 和 H3K27ac 峰所覆盖，意外的是大量假设的 dELS 仅有 H3K18la 标记（图 2D ），没有 H3K4me3 或 H3K27ac 峰标记，这暗示在 dELS 中 H3K18la 可能有其他特异性作用。最后，作者研究了 H3K18la 标记的增强子是否与靶基因的高度表达相关，相关性分析（ GO-BP ）显示 dELS 上的 H3K18la 水平与其附近基因呈正相关且有显著性差异，但相关性很弱（图 2F ）。

3. H3K18la 的动态变化影响转录

   作者密切关注了 MB 与 MT 、 mESC-2i 与 mESC-Ser 之间 H3K18la 相关的功能变化，作者观察到在两种细胞状态间，有许多启动子得到或失去 H3K18la 修饰，这些变化分别与其相关基因的上调或下调呈正相关。与作者先前的研究结果一致， dELS 比其他基因区域的 H3K18la 更具动态性，且 dELS 中 H3K18la 变化也与其附近基因表达呈正相关（图 3D-E ），对 H3K18la 有显著变化的 dELS 附近的基因进行 GO 分析，结果表明 GO term 与细胞类型相关。对 MB- 与 MT- 特异性增强子进行深度分析，启动子与增强子的定量乳酰化的变化可以再现，甚至可能促进细胞状态的改变（图 3G ）。综上所述，乳酸可能是一种促进细胞状态转变的代谢物，其通过对基因启动子和增强子的高乳酰化来实现。

4. 在人肌肉组织中 H3K18la 是保守的，且能够标记活性启动子和增强子

   为了研究 H3K18la 在人类组织中是否也是保守的，作者分析了两名受试者的股外侧肌表观基因组， MDS 分析显示， H3K18la 与 H3K27ac 、 H3K4me3 的相关性最好，主要富集在启动子、内含子和基因间区域（图 4A-B ），且很大一部分 peaks 富集在 TSS ＞ 10kb 区域。大部分被 H3K18la 标记的启动子也被 H3K27ac 、 H3K4me3 标记（图 4D ），且在基因启动子区域 H3K18la 峰值水平与 H3K27ac 和 H3K4me3 峰值水平密切相关（图 4E ）。接下来，作者使用人肌肉 hPTM 对人肌肉组织的染色质模式进行了 ChromHMM 分析， state1 和 state3 都显著富集于已发表的人肌肉组织增强子中（图 4G ）。与小鼠数据一致，人类肌肉中的 H3K18la 峰比 H3K27ac 在 dELS 中更富集（图 4I ），有 51% 的 H3K18la 峰与已发表的人类肌肉增强子数据重叠（图 4J ）。综上所述， H3K18la 在标记组织特异性活性增强子和活性 CGI 启动子方面是保守的。

总结

   本 研究 研究了 H3K18la 在 小鼠和人组织 中的 基因 分布情况， 监督（与公共数据重叠）和无监督（ ChromHMM ）分析反映 H3K18la 除了 标记 活性启动子，还标记组织特异的活性增强子。 此外 ，活性 CGI 启动子上的 H3Kla 可能主要标记启动子嵌入的增强子序列， 这 使得 H3K18la 成为与 H3K27ac 部分不同的组蛋白翻译后修饰的增强子标记。