在生命科学的精密调控网络中，表观遗传修饰如同一个个动态开关，精细调控着基因的表达与沉默。组蛋白修饰是其中关键一环，而短链酰化修饰——如乙酰化、琥珀酰化、谷氨酰化等——近年来备受关注。这些修饰不仅依赖特定的酰基辅酶A，许多已知的乙酰转移酶还能“兼职”催化其他酰化反应，展现出迷人的多功能性。与此同时，昼夜节律核心蛋白CLOCK作为著名的乙酰转移酶，其通过乙酰化组蛋白H3K9和K14来调控基因转录的时钟功能已被熟知。然而，一个令人着迷的问题随之浮现：在细胞核内存在多种酰基辅酶A的背景下，CLOCK是否也能利用其他辅酶，催化更多样的组蛋白酰化修饰，从而以更丰富的手段重塑染色质、影响细胞命运？尤其在胶质母细胞瘤等恶性肿瘤中，昼夜节律常常失调，这种失调是否通过未知的表观遗传机制驱动肿瘤进展，仍是悬而未决的谜题。
为了回答这些问题，研究团队在《科学进展》（SCIENCE ADVANCES）上发表了一项突破性研究。他们发现CLOCK竟然还是一位此前未被识别的“谷氨酰转移酶”，能利用戊二酰辅酶A（glutaryl-CoA）在组蛋白H3第37位赖氨酸上催化一种全新的修饰——H3K37谷氨酰化（H3K37glut）。这种修饰通过独特的空间位阻效应，阻断甲基转移酶SETD2对相邻位点H3K36的三甲基化（H3K36me3），从而抑制一系列依赖H3K36me3的下游通路。在胶质母细胞瘤中，CLOCK蛋白及其催化的H3K37glut水平异常升高，与H3K36me3水平降低、肿瘤恶性进展及患者不良预后显著相关。这项工作不仅发现了一种全新的组蛋白修饰，扩展了CLOCK的染色质调控功能，更重要的是，在昼夜节律失调与肿瘤表观遗传异常之间建立了全新的机制联系。
为完成这项研究，作者综合运用了多种关键技术：包括在U87、U251等多个人类细胞系中进行基因敲低和过表达，结合免疫印迹、高效液相色谱-串联质谱（HPLC-MS/MS）分析以鉴定修饰位点；利用染色质免疫共沉淀测序（ChIP-seq）在全基因组范围分析H3K37glut、CLOCK、SETD2及H3K36me3的分布与相关性；通过体外重构含有化学合成H3K37glut的核小体，进行微球菌核酸酶（MNase）敏感性、热稳定性、蛋白质结合及酶活实验；运用核磁共振（NMR）光谱学分析H3K37glut诱导的肽段构象变化；并利用来自患者的胶质母细胞瘤临床样本队列（包括高、低级别肿瘤）进行免疫印迹分析和生存关联研究。此外，研究还涉及体外酶活竞争实验、肽段pull-down、DNA/RNA甲基化点杂交、小鼠颅内胶质瘤模型等。
研究结果
CLOCK是一种组蛋白谷氨酰转移酶
研究人员通过细胞敲低和过表达实验发现，CLOCK调控着组蛋白的整体谷氨酰化水平。体外酶活实验证实，纯化的CLOCK蛋白能以戊二酰辅酶A为底物，在组蛋白八聚体及核小体上催化赖氨酸谷氨酰化。质谱分析鉴定出该修饰特异地发生在组蛋白H3的第37位赖氨酸上，即H3K37glut，这是一种此前未被报道的组蛋白修饰。他们开发了特异性抗体，并在多种人类细胞系及患者胶质瘤组织中均检测到H3K37glut的存在。ChIP-seq分析显示，H3K37glut广泛分布于基因组中，其富集区域与CLOCK结合区域部分重叠。敲低CLOCK可显著降低细胞内及染色质上的H3K37glut水平，表明CLOCK是细胞内H3K37glut的主要催化酶。
H3K37glut抑制SETD2结合并在染色质上安装H3K36me3
H3K37位于组蛋白H3氮末端的尾部，其电荷反转（从+1变为-1）的修饰（如H3K37glut或模拟突变H3K37E）可削弱组蛋白与DNA的相互作用，导致核小体DNA解缠。然而，只有H3K37glut（而非电荷突变）能显著抑制甲基转移酶SETD2与染色质的结合。CLOCK敲低增强了SETD2与组蛋白H3的互作及其在染色质上的富集，同时上调了H3K36me3的整体水平和基因组分布。体外实验直接证明，含有H3K37glut的核小体能抑制SETD2的结合及其对H3K36的三甲基化活性。
H3K37glut抑制SETD2结合组蛋白H3的分子基础
通过核磁共振（NMR）光谱学分析，研究人员揭示了H3K37glut诱导的局部构象变化。H3K37glut的戊二酰基团通过静电相互作用被相邻的H3H39和H3R40残基吸引，并弯向H3P38的吡咯烷环。这种构象变化限制了H3P38作为“万向轮”调节H3氮末端尾部位姿的能力，从而使其不利于SETD2的结合。这从结构上解释了H3K37glut如何特异地阻断SETD2与组蛋白H3氮末端尾部的识别与结合。
H3K37glut以单向方式调控H3K36me3
研究发现，敲低SETD2或使用已三甲基化的H3K36（H3K36me3）肽段，均不影响CLOCK催化H3K37glut的活性。NMR分析也显示H3K36me3对其相邻的H3K37侧链无物理影响。这表明H3K36me3不会反作用于H3K37glut的沉积，二者之间的调控是单向的，即H3K37glut是H3K36me3的上游抑制因子。
H3K37glut抑制细胞中的H3K36me3通路
H3K36me3是一个重要的组蛋白标记，能招募如DNMT3B（DNA甲基转移酶）和METTL3/METTL14异二聚体（RNA m6A甲基转移酶）等阅读器蛋白，分别调控基因体DNA甲基化和RNA m6A甲基化。本研究发现，CLOCK敲低导致的H3K36me3水平升高，增强了DNMT3B和METTL3在染色质上的结合，进而上调了全基因组DNA甲基化和RNA m6A甲基化水平。这证明了CLOCK-H3K37glut轴能够通过抑制SETD2-H3K36me3，进而调控其下游的表观遗传通路。
CLOCK介导的H3K37glut促进胶质母细胞瘤的发生
生物信息学分析和临床样本验证表明，在胶质母细胞瘤中，CLOCK的转录和蛋白水平均异常上调，其催化的H3K37glut水平也显著高于正常脑组织，而H3K36me3水平则降低。高级别胶质瘤中的H3K37glut水平更低、H3K36me3水平更高。CLOCK mRNA水平与患者的不良生存期显著相关。基因集富集分析（GSEA）显示，H3K37glut富集的基因参与细胞有丝分裂纺锤体调控、G2-M检查点等关键肿瘤相关通路。在胶质瘤细胞中敲低CLOCK，可特异性降低这些基因位点的H3K37glut、增加H3K36me3，从而抑制基因表达、细胞增殖以及小鼠颅内肿瘤的生长。
研究结论与意义
本研究系统性地揭示了昼夜节律核心蛋白CLOCK的一个全新功能——作为谷氨酰转移酶催化全新的组蛋白修饰H3K37glut。该修饰通过诱导组蛋白H3氮末端尾部产生特异性构象，空间阻遏甲基转移酶SETD2的结合，从而抑制H3K36三甲基化（H3K36me3）及其下游通路（如DNA甲基化和RNA m6A甲基化）。在胶质母细胞瘤中，失调的CLOCK-H3K37glut轴上调，与H3K36me3抑制、肿瘤恶性进展及患者预后不良密切相关。
这项工作的意义重大而深远：首先，拓展了组蛋白修饰的目录，发现并验证了首个发生在组蛋白H3K37位的谷氨酰化修饰。其次，极大丰富了CLOCK蛋白的生物学功能，将其从已知的乙酰转移酶和转录因子，扩展为具有重要染色质调控功能的谷氨酰转移酶。第三，揭示了表观遗传调控的新机制，阐明了由特定酰化修饰通过构象变化直接阻断相邻位点甲基化酶结合的精密“位阻”调控模式。第四，也是最重要的，在昼夜节律失调与癌症表观遗传紊乱之间建立了全新的、直接的机制联系，为理解胶质母细胞瘤等肿瘤的发生发展提供了新的视角，并为开发针对CLOCK-H3K37glut轴的潜在治疗策略奠定了坚实的理论基础。
当然，作者在讨论中也指出，未来研究仍需进一步探索H3K37glut对核小体动态的精确影响、其生理性昼夜振荡的功能、潜在的“去谷氨酰化”酶、特异性“阅读器”蛋白、与其他H3K37位点修饰的交叉对话，以及是否存在其他催化H3K37glut的酶等诸多问题。本研究无疑打开了一扇大门，引领我们更深入地窥探表观遗传密码的复杂性与节律性调控在健康与疾病中的核心作用。
