《自然》 | 李海涛课题组合作揭示组蛋白组胺化修饰的调控机制

表观遗传学调控是指在不改变DNA序列的情况下生命体对基因表达或细胞表型变化的调控。其中组蛋白的翻译后修饰是一类重要的表观遗传调控机制。近年来，除了常见的组蛋白翻译后修饰类型（如甲基化、乙酰化、磷酸化等）外，又鉴定出了许多新型的组蛋白修饰如乳酰化、巴豆酰化、2-羟基异丁酰化等修饰。众多新型组蛋白修饰直接参与了对基因转录的调控、常染色质和异染色质的相互转变、DNA损伤修复等重要的生理和病理过程。

神经递质作为一类重要的信号分子，也被发现可以修饰组蛋白H3。西奈山医学院Ian Maze课题组于2019年在Nature杂志首次报道神经递质5-羟色胺（也就是血清素）能够进入细胞核使组蛋白发生共价修饰，产生组蛋白H3Q5残基的五羟色胺化修饰（H3Q5ser）,从而调控基因表达1。清华大学基础医学院李海涛课题组参与了本项研究并揭示了H3Q5ser修饰对转录激活因子TAF3的调控机制。在此基础上，李海涛课题组深入研究了H3Q5ser修饰对于H3K4me3修饰调控元件的影响，于2021年在PNAS杂志发文报道了H3K4me3Q5ser双修饰的调控机理2。

2025年1月8日，美国西奈山医学院Ian Maze、纪念斯隆凯特琳癌症中心Yael David和生命中心PI、清华大学李海涛合作在Nature杂志上在线发表了题为Bidirectional histone monoaminylation dynamics regulate neural rhythmicity的研究论文，首次报道了组蛋白组胺化修饰的生化调控机制及其在神经节律性调控中的作用。

在本研究中，合作团队首先通过建立组蛋白单胺化修饰的动态检测体系证实了谷氨酰胺转胺酶2（Transglutaminase 2, TG2）在组蛋白单胺化修饰建立中的关键作用。其关键催化残基C277通过转氨反应与组蛋白H3的Q5残基形成硫酯中间体，该活性中间体可以与生物体内的单胺代谢产物（5-羟色胺、多巴胺、组胺等）发生亲核取代反应（图1）。当反应分子为H2O分子时，TG2则起到了消除修饰的作用。因此，TG2催化的转氨反应具有可逆性和广谱的底物适应性。基于此，研究团队探索了体内可能存在的一类重要修饰类型，即组蛋白H3Q5残基的组胺化修饰(H3Q5his)。

图1. TG2催化组蛋白H3Q5的单胺化修饰

合作团队发现，H3Q5his修饰在多种肿瘤细胞系和小鼠脑组织中存在，其中小鼠结节乳头核（Tuberomammillary Nucleus,TMN）中H3Q5his修饰的昼夜节律性改变与其睡眠和神经节律性行为显著相关。在本研究中，李海涛团队系统研究了H3Q5his修饰对于多种组蛋白H3K4非修饰和H3K4me3修饰识别蛋白的影响。与多数蛋白对H3Q5his修饰识别影响改变不大的情况不同，H3K4甲基转移酶MLL复合物的关键亚基WDR5对组蛋白H3的结合被H3Q5his修饰显著抑制。通过解析WDR5-H3Q5his 的复合物结构发现，H3Q5his通过电荷作用抑制WDR5亚基与组蛋白H3的结合（图2）。研究人员基于该结构引入了关键残基的突变，该突变不仅可以在体外逆转WDR5对于H3Q5his修饰的识别偏好性，而且在细胞内也改变了相互作用能力并且对H3Q5his富集处受WDR5调控的多个蛋白的表达产生了影响（图2）。同时，H3Q5his修饰也可以直接影响H3K4甲基转移酶复合物催化亚基的活性，通过可能的多重机制对神经节律性相关基因的转录进行调控。而H3Q5ser修饰则被发现可以增强同WDR5的结合3，实现相反的调控功能，这一模式也体现了组蛋白同一位点的不同修饰类型可以对于基因表达产生完全不同的影响。

图2. WDR5结合H3Q5his的复合物结构及设计突变体的体外和体内验证

合作团队对于组蛋白单胺化修饰的生物学功能进行了深入的研究。TMN是脑部唯一表达组氨酸脱羧酶HDC的区域，可催化组氨酸产生组胺，其H3Q5his修饰水平显著高于其他区域。与组胺释放的节律性变化一致，H3Q5his修饰水平也存在涨落，其修饰水平在小鼠活跃期最高而非活跃期最低。为了进一步验证H3Q5单胺化修饰同生物节律的因果关系，合作团队引入了组蛋白H3.3的Q5A突变，使得H3Q5无法发生单胺化修饰。H3.3(Q5A)一组中TMN的节律性基因表达被显著破坏，并且对小鼠的节律行为产生影响（图3）。

图3. 组蛋白单胺化修饰的生物节律性动态变化

综上，该研究不仅报道了一类全新的组蛋白单胺化修饰类型，而且发现了其分子调控机理和对于生物节律的重要功能意义，这也是组蛋白动态修饰调控的一个新型范例（图4）。Nature杂志配发了题为Circadian rhythms are set by epigenetic marks的News & Views评论文章介绍本研究工作（https://www.nature.com/articles/d41586-024-04080-z）。

图4. 组蛋白H3Q5his和H3Q5ser修饰对于神经节律性的表观调控机理模型

清华大学基础医学院李海涛教授致力于组蛋白动态修饰的研究领域，在本工作中与西奈山医学院的Ian Maze教授，纪念斯隆凯特琳癌症中心的Yael David 教授为本文的共同通讯作者。清华大学2018届博士生毕业生赵帅和普渡大学郑庆飞博士以及西奈山医学院Benjamin Weekley、David Vinson和Ryan Bastle博士为本文的共同第一作者。清华大学2020届博士毕业生张柏超和PTN项目在读博士王海凤参与了本研究。该工作得到国家自然科学基金委员会、国家重点研发计划和北京市重大科技专项的资助。上海同步辐射光源和清华大学X-ray晶体学平台给予了大力协助。李海涛是清华-北大生命科学联合中心、北京生物结构前沿研究中心、分子肿瘤学全国重点实验室、教育部蛋白质科学重点实验室，以及山西医科大学-清华大学医学院前沿医学协同创新中心成员。赵帅博士近期将入职清华大学，从事肿瘤免疫和基因组转座元件的研究，主要研究方向为转座元件对基因组结构功能与肿瘤免疫的调控机制（Nature 2023, Nature 2020，Nature Reviews Cancer 2021）、新型表观遗传学调控元件（Nature 2025, PNAS 2021, Cell Research 2019）及相关方法学的开发（Cell Reports 2018, PNAS 2017）。 

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08371-3

1. Nature. 2019 Mar;567(7749):535-539. Histone serotonylation is a permissive modification that enhances TFIID binding to H3K4me3.

2. PNAS. 2021 Feb 9;118(6):e2016742118. Histone H3Q5 serotonylation stabilizes H3K4 methylation and potentiates its readout.

3. Sci Adv. 2021 Jun 18;7(25):eabf4291. Structural insights into the recognition of histone H3Q5 serotonylation by WDR5.