一种转录生物传感器揭示了α-酮戊二酸向染色质传递信号的机制

《SCIENCE》：A transcriptional biosensor reveals mechanisms of α-ketoglutarate signaling to chromatin

　　

编辑总结

α-酮戊二酸（αKG）是一种代谢物，酶可利用它对染色质进行化学修饰，从而实现正常的基因调控。然而，αKG是如何被输送到细胞核中的这些酶处的，目前尚不清楚。Sternisha等人将一种能感知αKG的转录因子从细菌转移到人类细胞中，用以监测细胞核内的αKG水平。他们发现，线粒体中的谷氨酸丙酮酸转氨酶2所产生的αKG是输送到细胞核中的重要来源。该酶的功能缺失突变会导致染色质结构紊乱，以及与大脑发育相关的基因表达异常。——Stella M. Hurtley

结构化摘要

引言

代谢物α-酮戊二酸（αKG）是脱甲基酶的底物，这类酶可去除细胞核中组蛋白和DNA的甲基，进而影响基因表达、细胞命运以及肿瘤抑制功能。尽管细胞核内的αKG对染色质修饰酶的功能至关重要，但调控这一代谢物水平的机制至今仍不十分明确。弄清这些机制对于理解在正常生理状态下如何维持适当的染色质结构和基因表达模式，以及在疾病状态下为何会出现紊乱，具有非常重要的意义。

研究依据

要弄清楚人类细胞中细胞核内αKG含量的调控机制面临诸多挑战。首先，用于研究线粒体、溶酶体等其他细胞器中区室化代谢的方法难以直接应用于细胞核。其次，细胞内的αKG受超过100种酶和转运蛋白构成的复杂网络调控，这些分子会直接影响αKG的水平。为应对这些难题，我们试图开发一种能够检测细胞核内αKG变化的生物传感器，并利用它来识别调控这一代谢物水平的分子过程。

研究结果

我们利用能响应αKG的蓝细菌转录因子NtcA，构建了转录层面的“αKG-ON生物传感器系统”。我们将这种嵌合型NtcA蛋白与一个荧光报告基因一起表达，该报告基因由含有从蓝细菌基因组中提取的NtcA结合位点的合成启动子驱动。通过这些组件，我们能够在活的人类细胞中基于荧光信号监测细胞核内的αKG水平。我们利用这一αKG-ON生物传感器系统进行了正向遗传学筛选，找到了在调控细胞核内αKG含量方面起关键作用的基因。这一研究揭示了一条介导αKG从线粒体转移到细胞核的细胞器间通路。在该通路中，线粒体中的谷氨酸丙酮酸转氨酶2会合成αKG，这些αKG会优先通过苹果酸天冬氨酸穿梭系统的组成部分SLC25A11转运蛋白输出到细胞质中。进入细胞质后，αKG要么进入细胞核，要么被支链氨基酸转氨酶1分解为谷氨酸。我们的研究结果与先前的研究一致，即BCAT1会与染色质脱甲基酶竞争细胞核与细胞质间的αKG资源，同时也表明GPT2和SLC25A11是维持这一代谢物水平的关键物质。

破坏这条αKG代谢的细胞器间通路，会在体外培养的细胞以及体内组织中引发染色质过度甲基化现象。在由GPT2基因失活突变引发的先天性代谢缺陷小鼠模型中，脑组织中的DNA和组蛋白甲基化程度都会上升，同时神经发育相关基因的表达也会出现严重紊乱。给Gpt2缺失的小鼠补充酯化形式的αKG后，染色质的甲基化模式得以恢复，基因表达也恢复正常，小鼠的健康状况也有改善，这证明了细胞核内αKG含量下降与GPT2缺陷的分子发病机制之间存在因果关系。

结论

这项研究提供了一种可用于监测人类细胞核内αKG含量的工具，同时明确了维持表观基因组调控的αKG从线粒体向细胞核的转移途径。这些发现表明，区室化的代谢过程是决定表观遗传状态的关键因素，同时也揭示了细胞核内αKG含量下降是GPT2缺陷导致神经发育缺陷的致病因素。此外，我们的研究还提示，补充αKG可能是一种用于缓解这类疾病患者病情的策略。

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调控依赖αKG的染色质脱甲基作用的机制。

能够去除DNA和组蛋白甲基的脱甲基酶需要αKG。αKG-ON生物传感器系统可以用来监测维持这些酶活性的细胞核内αKG水平。线粒体中的GPT2转氨酶和SLC25A11转运蛋白共同作用，将αKG输送到细胞核与细胞质之间的区域。在GPT2缺陷的情况下，这条通路会受到损害，从而导致染色质过度甲基化以及神经发育相关基因的表达紊乱。GFP为绿色荧光蛋白；TET为十-十一位点转移甲基胞嘧啶脱氧酶；KDM为组蛋白赖氨酸脱甲基酶。[图片由Melissa Logies提供]

摘要

代谢物α-酮戊二酸（αKG）是染色质脱甲基作用所必需的，但调控细胞核内αKG含量的机制目前还不清楚。我们设计了一种生物传感器，利用能响应αKG的蓝细菌转录因子NtcA来监测人类细胞中的这一代谢物水平，并借此找到了调控细胞核内αKG含量的基因。我们确定了一条细胞器间通路，即线粒体中的谷氨酸丙酮酸转氨酶2和SLC25A11转运蛋白依次发挥作用，为细胞核提供αKG。在由GPT2基因缺陷引发的先天性代谢缺陷小鼠模型中，Gpt2基因的缺失会导致大脑中的组蛋白过度甲基化，以及神经发育相关基因的表达紊乱。补充αKG可以逆转这些异常表现，提升小鼠的健康状况。我们的研究不仅提供了一种可直接监测细胞核内αKG水平的工具，还揭示了细胞核内αKG含量下降是GPT2缺陷背后的关键致病机制。