Cell Discov | 翁杰敏/魏伟/黄河合作揭示HDAC1/2/3为组蛋白去琥珀酰化酶

赖氨酸琥珀酰化修饰 (Lysine succinylation，Ksu)是以琥珀酰辅酶A为底物受酶或非酶催化形成的赖氨酸酰化修饰家族的重要成员之一，广泛存在于各个物种间，主要分布在细胞线粒体、细胞核和细胞质中。目前，已报道KAT2A和HAT1作为琥珀酰化转移酶，分别催化H3K79su和H3K122su，而CBP/p300也被报道参与催化组蛋白琥珀酰化，并且组蛋白琥珀酰化修饰可以促进转录表达、肿瘤细胞增殖和发展等。同时，SIRT5是目前已报道主要的去琥珀酰化酶。SIRT5是Sirtuin家族NAD+依赖的去酰化酶，主要存在于线粒体中，SIRT5缺失会导致线粒体蛋白高度琥珀酰化，参与调控脂肪酸代谢和TCA循环等生物过程。最近发现SIRT7可以去除H3K277su，但是主要的组蛋白去琥珀酰化酶是否是Sirtuin家族尚不清楚。

为解决上述问题，华东师范大学翁杰敏教授、魏伟副研究员与中国科学院上海药物研究所黄河研究员于2023年8月15日在Cell Discovery杂志在线发表了题为“HDAC1/2/3 are major histone desuccinylase critical for promoter desuccinylation”的研究论文，首次揭示I类HDACs (HDAC1/2/3) 而非Sirtuin家族是主要的组蛋白去琥珀酰化酶，参与调控基因启动子区域的组蛋白琥珀酰化修饰从而影响转录调控。

为了探究主要的组蛋白去琥珀酰化酶是SIRTs还是HDACs，研究人员在不同细胞系中使用广谱HDACs抑制剂TSA和广谱SIRTs抑制剂NAM处理，发现TSA处理可以显著增强不同细胞系中整体组蛋白琥珀酰化修饰水平，而NAM处理对整体组蛋白琥珀酰化修饰影响不大，仅增强H3K122su修饰水平，与之前报道SIRT7负责去除H3K122su相符。上述结果表明，HDACs负责调控更广泛的组蛋白琥珀酰化位点，而SIRTs可能只负责调控某个特定的组蛋白琥珀酰化位点，如H3K122su。此外，通过分离细胞核、细胞质和线粒体蛋白发现，HDACs去琥珀酰化底物蛋白主要是组蛋白，而SIRTs尤其是SIRT5可能主要负责线粒体蛋白的去琥珀酰化。

图1. HDACs是广泛的组蛋白去琥珀酰化酶

由于MS275（HDAC1/2/3选择性抑制剂）和TSA处理后组蛋白琥珀酰化增强效果相近，研究人员猜想HDAC1/2/3是HDACs中主要的组蛋白去琥珀酰化酶。通过单独敲除HDAC1、HDAC2或HDAC3发现，组蛋白琥珀酰化修饰未见显著升高，说明HDAC1/2/3可能存在代偿作用。然而，共敲除HDAC1/2/3可以显著增强组蛋白琥珀酰化修饰，包括H3K14su和H3K23su。过表达HDAC1/2/3而非其酶失活突变体显著降低组蛋白琥珀酰化修饰，包括H3K23su。此外，通过体内纯化HDAC1/2/3进行体外酶活实验发现，HDAC1/2/3展现显著的组蛋白去琥珀酰化能力，而酶失活突变体HDAC1/2/3不能。上述结果表明HDAC1/2/3是哺乳动物细胞中主要的组蛋白去琥珀酰化酶。

图2. HDAC1/2/3是组蛋白去琥珀酰化酶

最后，研究人员通过对是否经过TSA处理的细胞采用Pan-Ksu和H3K23su抗体进行ChIP-seq来获取整体的组蛋白琥珀酰化基因组分布情况。研究发现，TSA处理可以显著增强基因启动子区域的琥珀酰化水平。同时，结合转录组分析发现TSA处理后转录上调的基因，其启动子区域组蛋白琥珀酰化经TSA处理后也增强，说明HDAC1/2/3可以通过调控基因启动子区域组蛋白琥珀酰化水平参与转录调控，并且组蛋白琥珀酰化水平与转录激活正相关。

综上，该研究首次揭示HDAC1/2/3而非SIRTs是主要的组蛋白去琥珀酰化酶，并首次在体外验证了HDAC1/2/3强大的组蛋白去琥珀酰化能力。除此之外，该研究还发现HDAC1/2/3通过影响基因启动子区域的琥珀酰化水平调控基因转录，为组蛋白琥珀酰化的生理功能和病理研究提供了新思路。