細胞命運調控是衰老再生研究中的重要內容。以往研究發現，異染色質相關蛋白1（Heterochromatin associated protein 1, HP1）作為異染色質的特征性蛋白，能夠維持染色體的穩定和調控基因表達，與細胞分化具有重要關系，但是其背后的分子機制尚不明確。 2021年7月，慕尼黑大學Heinrich Leonhardt團隊在Nucleic Acids Research（IF=16.97）上發表題為“Phosphorylation of the HP1β hinge region sequesters KAP1 in heterochromatin and promotes the exit from na?ve pluripotency”的文章，該研究利用多組學技術（轉錄組、蛋白質組、泛素化修飾蛋白組學）探討HP1調控細胞分化的內在分子機制。本研究發現HP1β鉸鏈區的磷酸化能特異性結合并招募多能調控因子KAP1到異染色質，促使細胞原始多能性的退出，是一種轉錄調節和細胞命運決定的新機制。 【研究材料】 小鼠胚胎干細胞(mESCs)、HEK293T、BHK細胞 【技術方法】 轉錄組、蛋白質組、泛素化修飾蛋白組學、ChIP-MS等 步驟1：基因突變與互作蛋白組分析揭示HP1β與細胞多能態退出相關 步驟2：生化實驗發現CK2a催化HP1β S89磷酸化 步驟3：轉錄組學分析證實HP1β-pS89促進胚胎干細胞原始多能態的退出 步驟4：IP-MS發現HP1β-pS89的互作蛋白KAP1（泛素E3連接酶） 步驟5：泛素化修飾組學揭示KAP1調控原始多能態退出機制 步驟6：構建HP1β與KAP1調控多能態退出模型進行驗證 1. HP1β缺失阻礙多能態退出 為了研究HP1β在mESCs分化中的作用，研究人員構建了HP1β -/-突變mESCs細胞，DPAI染色表明HP1β -/-細胞中染色中心聚集減少，利用ChIP-MS揭示HP1β結合的蛋白參與到染色質區室化和多能性調控過程，進一步利用神經祖細胞分化試驗闡明HP1β能夠調控細胞多能態退出。 圖1 神經細胞分化需要HP1β的參與 2. CK2催化HP1β絲氨酸89號殘基的磷酸化 為了研究HP1β在多能性退出中的功能，研究人員在2i/LIF（原始態）和serum/LIF（穩態）培養基中培養mESCs， qPCR結果顯示在兩種培養條件下HP1β 的表達量沒有差異，但是Western Blot結果顯示蛋白表達具有差異性，提示翻譯后調控的作用。進一步用熱敏磷酸酶分析和突變分析，研究人員發現在HP1β絲氨酸89位殘基被磷酸化修飾（HP1β-pS89），且該位點是被酪氨酸激酶2（casein kinase 2，CK2a）催化。 在酪氨酸激酶2（casein kinase 2）的結合域之內。進一步利用CRISPR-CA9構建CK2a類似物敏感突變（CK2a1as），加入嘌呤類似物1-NA-PP1之后，發現HP1β-pS89降低，表明CK2a催化HP1β絲氨酸89位殘基的磷酸化。 圖2 CK2a催化HP1β絲氨酸89位殘基的磷酸化 3. HP1β-pS89促進胚胎干細胞原始多能態的退出 研究人員構建了磷酸化突變細胞系HP1β S89A和模擬磷酸化的HP1β S89E、 HP1β S89D突變細胞系。對突變細胞系進行形態學和結構學分析，發現亞穩態培養條件下HP1β S89A和HP1β-/-發現更多的原始態原型菌落。對不同時期突變體進行轉錄組分析，結果表明HP1β S89A與HP1β S89E以相反的方式影響基因的表達，原始態的多能基因在HP1β S89A和HP1β-/-中明顯上調。綜上，HP1β pS89是mESCs原始多能態的退出的必要條件。 圖3 HP1β S89A促進mESCs原始多能態的退出 4. KAP1調控原始多能性退出機制研究 為了研究HP1β S89A如何影響mESCs原始多能態的退出機制，研究人員在HEK293T細胞中成功表達GFP-HP1β S89D, 利用IP-MS鑒定得到互作蛋白KAP1，結合油滴實驗和KAP1突變體實驗結果，表明KAP1的CCN結構域能特異性結合HP1β磷酸化位點。對KAP1-/-進行轉錄組分析，結果表明下調的細胞分化基因與HP1β S89A和HP1β-/-中的情況一致。 前人研究發現KAP1具有泛素E3連接酶的活性，為了探索KAP1在多能維持中的作用機制，研究者對野生型和 KAP1-/-細胞進行泛素化修飾蛋白組學分析，結果表明KAP1通過對異染色質調節因子和轉錄因子的泛素化來調節多能性。 圖4 KAP1依靠其泛素化酶活性來調節多能性 5. KAP1調控多能性退出依賴于HP1β的磷酸化 研究人員利用CHIP-MS在mESCs鑒定原始態到外胚層分化過程中HP1β的結合蛋白，結果顯示在外胚層中，HP1β能夠與KAP1和其他染色質調控因子互相結合。此外，利用GFP熒光觀察到在多能性退出時KAP1向染色中心聚集，并且在HP1β S89E中更加明顯，這表明KAP1向染色中心的聚集依賴于HP1β-pS89。綜上結果表明，HP1β S89磷酸化特意招募轉錄調控因子KAP1，共同調控原始多能態的退出。 小結 本研究整合互作蛋白組學、轉錄組學、蛋白組學和泛素化修飾蛋白組學探討了異染色質捕獲調控因子的分子機理。通過組學分析揭示染色質結合蛋白HP1β參與調控細胞染色質區室形成以及細胞多能態變化，HP1β磷酸化能在異染色質上捕獲轉錄調控因子KAP1，調控細胞分化過程，這種多能性關鍵調控因子的捕獲促進了多能態的退出，揭示了一種遠程控制轉錄調控的新機制。
實驗路線圖
研究結果
圖5 HP1β磷酸化捕獲KAP1結合到異染色質上，促進mESCs多能性的退出
中科優品推薦
中科新生命可進行轉錄組學、蛋白質組學、代謝組學多組學多種技術服務，從多角度、多層次為您提供更專業、更省心的服務。歡迎感興趣的老師前來咨詢。
Nucleic Acids Res（IF 16.97）| 何去何從？多組學助力發現細胞命運調控新機制
作者：上海中科新生命生物科技有限公司 2021-12-23T19:55 (訪問量:4586)
上海中科新生命生物科技有限公司 商家主頁
地 址： 上海市園美路58號1號樓15-18樓
聯系人： 徐
電 話： 021-54665263
傳 真：
Email：marketing@aptbiotech.com
相關咨詢
會議邀請 | 第8屆全國植物蛋白質研究大會暨首屆貴陽生命科學新高地科學家論壇 (2023-07-07T14:37 瀏覽數:32372)
項目文章Cell（IF 64.5）| 中國科技大學探索食物過敏謎團 (2023-07-07T14:22 瀏覽數:33575)
Gastroenterology（IF 29.4）| 基于機器學習算法開發的外泌體miRNA生物標志物用于胰腺導管腺癌早期診斷 (2023-07-05T15:54 瀏覽數:30999)
Cancer Letters（IF 9.7）|天津市環湖醫院利用Labelfree揭示超聲-替莫唑胺聯合誘導膠質瘤細胞的凋亡機制 (2023-06-30T09:37 瀏覽數:31986)
Excel表免費下載 | 速來圍觀！2023年影響因子發布 (2023-06-29T09:35 瀏覽數:26866)
外泌體多組學創新解決方案，精準、前沿的疾病診斷生物標志物 (2023-06-28T10:20 瀏覽數:36309)
Immunity （IF=43.474）丨單細胞+空間聯合揭示肉芽腫形成的異常淋巴發育進程 (2023-06-26T17:28 瀏覽數:30634)
專家齊聚 亮點回顧 | 2023年海口·中醫藥創新多組學研究論壇圓滿落幕 (2023-06-25T10:10 瀏覽數:35007)
項目文章Plant J（IF 7）| 杭州師范大學王慧中團隊通過空間代謝+單細胞測序等揭示紅豆杉幼莖細胞特異的紫杉烷合成調控模式 (2023-06-25T09:42 瀏覽數:33068)
項目文章Gut Microbes（IF 9.434）| 腸道微生物竟是導致膽囊切除術后患者腹瀉的元兇？ (2023-06-14T16:35 瀏覽數:29953)