组蛋白H3K4三甲基化通过重塑5'非翻译区选择驱动缺氧适应性翻译重编程

《Nature Cell Biology》：Epigenetic alterations facilitate transcriptional and translational programs in hypoxia

本研究发现缺氧通过诱导H3K4me3表观遗传重编程，独立于HIF-1转录机制调控转录起始位点（TSS）选择，重塑5'UTR组（5′UTRome），进而通过改变mRNA翻译效率调控蛋白质组，促进细胞代谢适应（如PDK1翻译上调）。这一发现揭示了表观遗传-转录-翻译跨层级调控新机制。

　　

缺氧诱导TSS切换导致5'UTR广泛重塑

研究团队通过纳米级帽分析基因表达（nanoCAGE）测序技术，在T47D乳腺癌细胞和H9人胚胎干细胞中量化了缺氧条件下的转录组、表观基因组和翻译组。研究发现缺氧导致转录起始位点（TSS）选择发生普遍性改变，与核小体重定位和H3K4me3分布变化相关。值得注意的是，在无缺氧条件下通过药物调控H3K4me3可诱导或逆转缺氧相关的TSS切换，这定义了H3K4me3在TSS选择中独立于HIF1转录程序的作用。通过重塑5'非翻译区（5'UTR），TSS切换选择性改变蛋白质合成，包括增强编码丙酮酸脱氢酶激酶1（PDK1）的信使RNA翻译，这对缺氧代谢适应至关重要。

TSS切换与缺氧下翻译重编程相关

翻译重编程是细胞适应缺氧的关键组成部分。研究使用多核糖体分析技术，发现缺氧在两种细胞类型中均抑制了全局翻译，使多核糖体:单核糖体比率降低80-85%。除了全局抑制外，转录本选择性的翻译效率变化塑造了新合成的缺氧蛋白质组。通过比较总mRNA和重多核糖体相关mRNA的RNA测序，发现约2,000个基因在总和多核糖体相关mRNA中显示非一致性变化。这些包括翻译模式（多核糖体关联改变而无相应总mRNA水平变化）和抵消模式（总mRNA水平变化被未改变的多核糖体关联抵消）。

缺氧翻译组变化依赖多种通路和5'UTR特征

翻译通常通过5'UTR特征与翻译机器在限速起始步骤的相互作用进行调控。研究开发了一种称为翻译后网络建模（postNet）的方法来识别解释翻译变化的变量，生成调控节点网络（如5'UTR特征、调控mRNA翻译的通路和TSS切换），边反映节点间的协方差。对于缺氧下翻译效率改变的基因，建模包括22个已建立的翻译特征（包括mTOR、ISR、eIF4E2和DAP5等通路和因子）、从缺氧处理T47D细胞nanoCAGE测序表征的5'UTR mRNA特征，以及新发现的5'UTR基序。

TSS切换改变调控性5'UTR特征并塑造缺氧诱导的翻译组

研究接下来检验了TSS切换是否独立解释缺氧诱导的翻译组变化。在T47D细胞中，添加5'UTR重塑使解释方差增加到翻译的44.9%和抵消的39.5%。值得注意的是，5'UTR长度改变和TSS切换评分独立解释了翻译和抵消的变化。对于翻译，TSS切换的独立贡献与ISR以及5'UTR长度、GC含量、uORF和折叠能量组合的独立效应相当。

缺氧诱导的TSS切换与改变的H3K4me3和核小体环境变化相关

研究接下来探究了驱动缺氧诱导TSS切换的机制。缺氧重塑表观基因组，部分通过组蛋白去甲基化酶（包括KDM5A）失活实现。由于H3K4me3标记TSS并在缺氧下积累，研究检验了H3K4me3改变是否与TSS切换相关。H3K4me3-ChIP-seq显示，在nanoCAGE检测到的94%蛋白质编码基因的TSS周围，缺氧诱导了H3K4me3分布变化。

抑制KDM5诱导TSS切换重塑5'UTR并与蛋白质组变化相关

为阐明H3K4me3在缺氧诱导TSS切换中的作用，研究在C48或vehicle（DMSO）处理的T47D细胞中进行了nanoCAGE测序，鉴定出>3,000个转录本的TSS切换。值得注意的是，C48处理未改变mTOR或ISR信号。TSS切换评分在C48处理下低于缺氧，表明其他机制可能调节缺氧下亚型切换的程度。

缺氧下抑制H3K4me3积累阻断TSS切换并降低细胞适应性

研究接下来检验了减少H3K4me3积累是否影响缺氧诱导的TSS切换。T47D细胞用DMSO或OICR-9429（WDR5与MLL相关COMPASS H3K4甲基转移酶相互作用的抑制剂）预处理48小时，随后缺氧48小时。OICR-9429减弱了缺氧诱导的H3K4me3积累。

TSS切换通过调控差异翻译mRNA亚型的可用性协调缺氧适应

研究接下来检验了TSS切换是否调控特定生物学过程。共享和细胞类型特异性缺氧诱导TSS切换事件的基因本体分析显示代谢相关术语富集。为在缺氧下存活，细胞从氧化磷酸化转换为糖酵解。值得注意的是，许多糖酵解酶（包括PDK1）在缺氧T47D细胞中经历了显著TSS切换。

研究通过体外转录和双荧光素酶报告实验证实，较短的PDK1 5'UTR mRNA亚型在常氧和缺氧条件下均具有更高翻译效率。通过CRISPR介导的内源性PDK1基因敲除和特定5'UTR亚型回补实验，研究发现表达36nt 5'UTR亚型的细胞在缺氧下产生更多PDK1蛋白，且¹³C-丙酮酸标记显示乳酸生成增加，表明较短5'UTR亚型通过增强PDK1翻译促进糖酵解代谢转换。

这些发现共同表明，缺氧通过H3K4me3介导的TSS选择重塑5'UTR组，与翻译机器重编程协同作用，促进适应性蛋白质组重塑。这种表观遗传-转录-翻译跨层级调控机制为理解细胞应激适应提供了新视角，也为靶向癌症代谢提供了潜在策略。