Cell Discovery：SIRT3介导层次性组蛋白去β羟基丁酰化的分子机制

　　

清华大学医学院李海涛课题组在Cell Discovery杂志发表题为“Molecular basis for hierarchical histone de-β-hydroxybutyrylation by SIRT3”的研究长文。该文章对组蛋白去乙酰化酶sirtuin家族成员SIRT3介导的层次性组蛋白去β羟基丁酰化（hierarchical histone de-β-hydroxybutyrylation）进行了系统的生物化学与结构生物学研究。据了解，这是领域内首次报道去乙酰化酶家族成员中sirtuin亚家族和锌依赖HDAC亚家族在组蛋白去酰基化方面具有层次性消除活力差异。

组蛋白β羟基丁酰化（Kbhb）是一种共价偶联在组蛋白赖氨酸ε氨基上的新型翻译后修饰，该修饰将饥饿应激代谢与表观遗传调控紧密地联系起来。与巴豆酰化（Kcr）相比，分支、羟基取代和具有手型（R/S）三大特征让Kbhb修饰变得十分独特。通过系统的互作与酶活筛选，该研究表明SIRT3在体外和体内均对组蛋白去乙酰化的位点存在类别选择性，即倾向识别并催化组蛋白H3 K4, K9, K18, K23, K27以及H4 K16，而H4 K5, K8和K12则不可以。这与经典的锌依赖HDAC家族成员所表现出的广泛的位点催化活性形成了鲜明对比。

结构生物学研究证实SIRT3依靠其氢键内衬的疏水口袋识别和催化Kbhb，尤其更偏好S手性；鉴于R型与S型Kbhb的代谢来源不同，该手性偏好性提示了SIRT3在偶联不同代谢环境与表观调控中的独特作用。基于一系列SIRT3-Kbhb复合物结构的进一步分析发现Kbhb与其周围+1和-1位氨基酸主链所形成的β骨架（β-backbone）主导了SIRT3对其组蛋白底物的识别，而非其侧链，这很好的解释了SIRT3拥有相对广泛的活性位点。

通过复合物结构分析和基于突变体的互作与酶活研究表明，H4K8等SIRT3所不能催化的位点则是其Kbhb所在的“G-1KG+1”特征序列所导致的，该序列由于其主链固有的柔性因而不能形成稳定的β骨架而不能被SIRT3识别。

总而言之，该研究通过以下几个方面证实了SIRT3在β羟基丁酰化修饰生物学调控中的重要作用：1）证明SIRT3具有类别选择性去β羟基丁酰化活性；2）阐明了该类别选择性识别和催化的分子基础； 3）揭示了SIRT3偏好识别和催化S-手性Kbhb底物。4）首次在领域内提出了层次性组蛋白去酰基化这一概念，很好地将sirtuin和锌依赖HDAC两大去酰基化酶家族在组蛋白去酰基化过程中所发挥的功能区分开。

清华大学医学院李海涛教授为本文通讯作者。清华大学张行润博士为本文第一作者，曹瑞丽博士、赵帅博士、博士生牛锦荣、杨舒敏和马慧达参与了本项研究。该研究得到清华大学生物医学测试中心蛋白质化学平台和上海同步辐射光源的大力支持。本项目承蒙国家自然科学基金面上项目的支持。

原文标题：

Molecular basis for hierarchical histone de-β-hydroxybutyrylation by SIRT3

https://www.nature.com/articles/s41421-019-0103-0