RBBP5作为蛋白质稳态动态调控的核心表观遗传调节因子：整合12小时超昼夜节律振荡器与蛋白质毒性应激反应

《PLOS Biology》：The histone methyltransferase complex subunit RBBP5 serves as a central epigenetic regulator of proteostasis dynamics

　　

摘要专业翻译 蛋白质稳态（Proteostasis）对细胞健康至关重要，其失调可导致衰老、神经退行性疾病和代谢紊乱。尽管内质网（ER）和细胞质中上游蛋白质毒性应激感知与蛋白质折叠机制已被充分研究，但蛋白质稳态的转录调控仍未被完全理解，尤其是动态蛋白质稳态控制背后的时间表观基因组动态、染色质景观和协同调控网络。传统上，蛋白质毒性应激反应被视为对有害刺激的急性反应，但近期证据表明，许多蛋白质稳态基因在生理条件下表现出约12小时（~12 h）的超昼夜节律（ultradian rhythms），由不依赖于经典生物钟和细胞周期的XBP1s依赖性振荡器驱动。通过绘制小鼠12小时振荡器的染色质景观，研究人员鉴定出RBBP5——负责H3K4三甲基化（H3K4me3）的COMPASS复合物的必需亚基——作为蛋白质稳态动态的关键表观遗传调节因子。相比之下，组蛋白乙酰转移酶（HAT）和H3K9乙酰化（H3K9Ac）对动态蛋白质稳态基因表达是非必需的。RBBP5不仅对12小时振荡器不可或缺，而且通过共激活XBP1s并在蛋白质稳态基因启动子处促进H3K4me3沉积，对多种蛋白质毒性应激反应的转录调控至关重要。因此，RBBP5的缺失使细胞对蛋白质毒性应激敏感化，部分原因是自噬受损。H3K4me3的邻近标记（proximity labeling）进一步揭示了动态染色质相关蛋白质组架构，包括COMPASS、整合子复合物（Integrator complex）和SWI/SNF重塑复合物的组分，这些构成了对蛋白质毒性应激的转录反应。总之，这些发现确立了RBBP5作为蛋白质稳态动态的核心调节因子，对维持细胞韧性至关重要。

论文主体内容解读

一、研究背景与科学问题

蛋白质稳态是细胞维持正确蛋白质折叠、运输和周转的核心挑战，其失衡与衰老、神经退行性疾病、癌症和代谢紊乱等病理状态密切相关。长期以来，蛋白质毒性应激反应被视为对特定有害刺激的离散、急性反应，涉及热休克反应、未折叠蛋白反应（UPR）和整合应激反应（ISR）等通路。然而，近年来的证据表明，在无外部应激的生理条件下，大量内质网和蛋白质稳态相关基因在多种哺乳动物细胞类型和组织中表现出约12小时周期的细胞自主超昼夜节律振荡，这些基因涵盖脂质代谢、蛋白质折叠、ERAD和自噬等功能效应因子，以及HSF1、XBP1s、ATF4、ATF6等上游调控因子。尽管上游应激感知和蛋白质折叠机制已被充分研究，但蛋白质稳态的转录调控——特别是时间表观基因组动态、染色质景观和协同调控网络——仍缺乏基本理解。本研究旨在回答一个关键问题：是否存在一个专门的表观遗传调节因子来协调全局蛋白质稳态动态？

二、研究内容与主要结论

研究人员通过分析小鼠肝脏12小时振荡器的染色质景观，鉴定出RBBP5——COMPASS复合物的必需亚基，负责H3K4me3的沉积——作为调控全局蛋白质稳态动态的关键表观遗传调节因子。研究发现，12小时振荡器的表观基因组以启动子近端H3K4me3的12小时振荡为特征，而组蛋白乙酰化标记（H3K9Ac和H3K27Ac）不具有此动态。RBBP5的染色质结合呈现12小时节律，与H3K4me3振荡同步，且RBBP5结合相位先于基因表达相位，表明其作为驱动因子而非结果。通过构建肝细胞特异性RBBP5敲除小鼠，研究人员发现超过90%的肝脏12小时转录组被消除，而BMAL1依赖的核心生物钟基因保持完整。RBBP5还作为XBP1s的共激活因子，在急性蛋白质毒性应激反应中调控蛋白质稳态基因的转录激活，其缺失导致自噬受损和细胞存活率降低。H3K4me3邻近标记进一步揭示了应激反应中的动态染色质相关蛋白质组架构，包括COMPASS、整合子复合物和SWI/SNF重塑复合物。

三、主要关键技术方法

研究人员运用了多种前沿技术：对小鼠肝脏进行时间序列RBBP5染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）和H3K4me3等组蛋白修饰ChIP-seq；利用Cre-loxP系统构建Rbbp5肝细胞特异性敲除小鼠（RBBP5^LKO），并采用Easi-CRISPR方法生成floxed小鼠；对敲除小鼠肝脏进行48小时2小时间隔的批量RNA测序（RNA-Seq）；使用RAIN、MetaCycle、cosinor2和特征值/铅笔法等多种算法鉴定节律基因；通过免疫共沉淀（Co-IP）验证XBP1s与COMPASS亚基的物理相互作用；利用TurboID邻近标记结合抗H3K4me3抗体进行定量蛋白质组学分析；使用mCherry-EGFP-LC3自噬报告系统和mCherry-RAMP4 ER-phagy报告系统评估自噬通量。样本来源为C57BL/6J背景雄性小鼠，在恒定黑暗条件下饲养。

四、研究结果

1. 12小时RBBP5染色质结合与启动子近端H3K4me3振荡同步。 通过分析已发表的小鼠肝脏时间表观基因组数据，发现12小时基因启动子处H3K4me3呈现12小时节律，而H3K9Ac和H3K27Ac不呈现此节律。LISA分析推断COMPASS亚基为肝脏12小时基因的推定表观遗传调节因子。RBBP5核蛋白水平呈现12小时振荡，峰值在CT0和CT12，与H3K4me3和节律基因表达的峰值相位一致。时间序列ChIP-seq鉴定出7,963个RBBP5结合位点，平均结合强度呈现稳健的12小时节律。

2. 肝脏RBBP5顺反子与XBP1s顺反子及12小时转录组重合。 具有RBBP5启动子结合基因富集12小时基因表达节律，RBBP5结合相位先于基因表达相位。GO分析显示RBBP5结合基因富集蛋白质稳态通路（ER蛋白质加工、泛素介导的蛋白水解）和mRNA加工通路。RBBP5与XBP1s顺反子显著重叠（920个基因），Co-IP证实XBP1s与RBBP5、ASH2L、WDR5的物理相互作用。非重叠位点的基序分析鉴定出GABPA、KLF、ATF6、NFYA和ATF4结合基序。

3. RBBP5是12小时振荡器的表观遗传调节因子，而非生物钟的调节因子。 RBBP5^LKO小鼠中，93%以上的12小时肝脏转录组被消除，而核心生物钟基因（Bmal1、Per1/2/3、Nr1d1/2）的节律保持完整。多种正交分析方法（MetaCycle、cosinor2、特征值/铅笔法）一致证实12小时节律的显著缺失。RBBP5缺失还损害了Xbp1s mRNA和蛋白的12小时振荡，但XBP1s的染色质招募不受影响。在MEF细胞中敲低Rbbp5或Ash2l显著减弱12小时振荡并缩短周期，但不影响生物钟振荡。

4. RBBP5调节体内急性蛋白质毒性应激的肝脏转录反应。 在衣霉素（Tu）诱导的急性ER应激下，RBBP5^LKO小鼠中蛋白质稳态基因的诱导显著减弱，而免疫基因的诱导保留甚至增强。RBBP5启动子结合基因的Tu诱导倍数在敲除后显著降低，无RBBP5结合的基因不受影响。RBBP5过表达则放大蛋白质稳态基因的UPR反应并抑制免疫基因表达。在人类肝脏中，RBBP5表达与蛋白质稳态和mRNA代谢基因正相关，与免疫反应基因负相关。

5. RBBP5缺失损害细胞自主的蛋白质毒性应激和营养剥夺转录反应。 在MEF中，RBBP5缺失显著减弱对Tu、DTT、亮氨酸剥夺和EBSS营养剥夺的适应性转录反应。RNA-seq显示2,351个EBSS诱导基因中仅327个在RBBP5敲除细胞中仍可诱导。RBBP5缺失导致自噬通量降低、ER-phagy受损和营养应激下细胞存活率下降。

6. 邻近标记揭示H3K4me3相关的蛋白质毒性应激反应蛋白质组架构。 TurboID邻近标记鉴定出239个在ER应激8小时时富集到H3K4me3的蛋白质，包括COMPASS亚基、RNAPII亚基、整合子复合物亚基（如INTS11）和SWI/SNF染色质重塑复合物亚基。SWI/SNF招募的时间动态与整合子复合物一致，但滞后于RNAPII亚基，提示SWI/SNF可能在转录延伸中发挥作用。

五、讨论与结论

本研究首次描绘了哺乳动物12小时超昼夜节律振荡器的表观基因组，发现其以启动子近端H3K4me3的12小时振荡为特征，而非组蛋白乙酰化。与生物钟依赖HAT/HDAC调节不同，12小时振荡器特异依赖COMPASS介导的H3K4me3。研究提出H3K4me3可能被进化选择作为应激响应基因调控的主要表观遗传机制，因其能快速强效激活转录。H3K4me3邻近标记揭示了SWI/SNF在应激反应中可能参与转录延伸的新角色。研究还扩展了RBBP5的生理功能范围，从器官发育和神经发育障碍扩展到蛋白质稳态和肝脏代谢，提示携带RBBP5功能缺失突变的人类个体可能同时存在代谢缺陷。研究人员提出12小时振荡器可作为发现蛋白质稳态调控新机制的"发现工具"，时间协调调控是蛋白质稳态控制的基础。