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目前，组蛋白翻译后修饰（PTMs）种类不断增加，但各修饰具体作用不明，缺乏在活细胞中选择性引入特定修饰的方法。研究人员开发细胞可渗透的组蛋白乙酰化催化剂 BAHA-LANA-PEG-CPP44，发现其可重塑转录、抑制白血病细胞活力，为癌症治疗提供新思路。
在生命的微观世界里，细胞中的基因组 DNA 紧密缠绕着组蛋白八聚体，形成核小体，它们共同构成了染色质这座 “大厦”。而组蛋白的翻译后修饰（PTMs），就像是大厦里的各种 “调控开关”，影响着染色质的结构和功能。近年来，随着研究的深入，越来越多的组蛋白 PTMs 被发现，然而，这些 “开关” 具体是如何发挥作用的，大部分仍然是个谜。主要原因在于，缺乏在活细胞中选择性且快速引入特定组蛋白 PTM 的方法，这就好比有了一堆开关，却不知道怎么正确操作它们。
癌症，作为严重威胁人类健康的重大疾病，其发生发展与表观基因组的异常以及基因表达的失调密切相关。因此，深入了解组蛋白 PTMs 的功能，开发能够精准调控它们的方法，对于癌症的治疗具有至关重要的意义。
为了解开这些谜团，来自东京大学（The University of Tokyo）等机构的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们致力于开发一种能够在活细胞中高效、选择性地修饰组蛋白的化学催化剂，并探究其对癌症细胞的影响。研究结果令人振奋，他们成功开发出细胞可渗透的组蛋白乙酰化催化剂 BAHA-LANA-PEG-CPP44，该催化剂能选择性地进入白血病细胞，结合染色质，并在短时间内乙酰化内源性组蛋白的 H2BK120 位点 。这一发现不仅为研究组蛋白 PTMs 的功能提供了有力工具，还为癌症的治疗开辟了新的方向。相关研究成果发表在《Nature Communications》杂志上。
在这项研究中，研究人员运用了多种关键技术方法。细胞培养技术用于培养多种癌细胞系和正常细胞系，为后续实验提供细胞样本。免疫印迹分析（Western blotting analysis）和液相色谱 - 质谱联用（LC-MS/MS）技术，能够精准检测组蛋白的修饰水平。RNA 测序（RNA-seq）和染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）则用于分析基因转录变化和蛋白质与染色质的结合情况。此外，还通过细胞活力测定、细胞周期和凋亡分析等实验，评估催化剂对细胞的影响。
开发靶向 H2BK120 的细胞可渗透组蛋白酰化催化剂
研究人员精心设计了一种化学催化剂，它由细胞穿透肽（CPP）、与核小体酸性补丁结合的 LANA 肽、保护 LANA 免受肽酶作用的聚乙二醇（PEG）以及催化活性位点（CAS）组成。通过对 CAS、LANA、PEG 和 CPP 等多个模块的优化，最终合成了白血病细胞选择性催化剂 BAHA-LANA-PEG-CPP44 和非白血病细胞催化剂 BAHA-LANA-PEG-16r。实验表明，BAHA-LANA-PEG-CPP44 能有效进入白血病细胞并定位在染色质上，而 BAHA-LANA-PEG-16r 在高浓度时存在细胞毒性，限制了其应用。
细胞可渗透组蛋白酰化催化剂在细胞内的 H2BK120 乙酰化作用
研究人员对 BAHA-LANA-PEG-CPP44 催化剂的细胞毒性进行了检测，发现其在低浓度下对 THP-1 细胞无明显毒性。通过免疫印迹和 LC-MS/MS 分析证实，该催化剂能显著促进 THP-1 细胞中 H2BK120 的乙酰化，且这种乙酰化反应不依赖于细胞内的组蛋白乙酰转移酶（HAT）或组蛋白去乙酰化酶（HDAC）活性。同时，该催化剂还能选择性地促进组蛋白酰化，对其他蛋白的酰化作用较弱。
白血病细胞中催化组蛋白乙酰化的特征
进一步研究发现，BAHA-LANA-PEG-CPP44 催化剂促进的 H2BK120 乙酰化主要发生在 H2BK120 位点，对其他赖氨酸残基的乙酰化程度较低。该催化剂还能实现对组蛋白的非天然酰化，通过点击化学可对酰化组蛋白进行标记。此外，该催化反应具有细胞类型选择性，在白血病细胞系中能有效促进 H2BK120 乙酰化，而在非白血病细胞系中则效果不佳。
H2BK120 乙酰化诱导的转录变化和抗白血病效应
RNA 测序结果显示，H2BK120 乙酰化会导致 THP-1 细胞中部分基因表达上调，部分基因表达下调。基因本体（GO）分析表明，上调基因与细胞凋亡、细胞周期和转录调控相关。同时，催化组蛋白乙酰化能诱导 THP-1 细胞周期停滞在 G1/S 期并促进细胞凋亡，降低白血病细胞的活力。在体内实验中，经催化剂处理的白血病细胞在小鼠体内的致瘤潜力明显降低，表明 H2BK120 乙酰化具有显著的抗白血病效应。
H2BK120 乙酰化影响转录变化的机制探究
通过对反应进程的时间 - course 分析，研究人员发现 H2BK120 乙酰化在催化剂处理后 30 分钟内即可发生，并在约 60 分钟时达到稳定状态。进一步分析发现，催化组蛋白乙酰化后，RNA 聚合酶 II（Pol II）在部分基因上的染色质结合增加，促进了这些基因的转录。研究人员推测特定转录因子参与了选择性转录变化，经研究发现负延伸因子 E（NELFE）与上调基因显著相关。H2BK120 乙酰化会降低 NELFE 在染色质上的定位，从而减轻其对基因转录的抑制作用，促进基因转录。
在讨论部分，研究人员指出，虽然 H2BK120ac 的功能此前尚不明确，但该研究表明 BAHA-LANA-PEG-CPP44 催化剂能快速、选择性地乙酰化 H2BK120，为研究 H2BK120ac 的下游效应提供了有力工具。NELFE 在细胞中的功能尚未完全阐明，该研究提示 H2BK120ac 可能通过释放 NELF 复合物影响基因转录。此外，该催化剂的催化组蛋白乙酰化作用与传统靶向组蛋白修饰酶的癌症表观遗传药物不同，二者联合使用可能增强抗癌效果。不过，目前该方法在体内的疗效还有待提高，未来需要进一步优化催化剂结构和给药方式。
总的来说，这项研究成功开发了一种细胞可渗透的组蛋白乙酰化催化剂，揭示了 H2BK120 乙酰化对白血病细胞转录和细胞活力的影响机制，为癌症治疗提供了新的策略和潜在的治疗靶点。虽然仍面临一些挑战，但为后续的研究和临床应用奠定了坚实的基础，有望在未来为癌症患者带来新的希望。
