2023年3月1日，中國科學(xué)院上海營養(yǎng)與健康研究所丁秋蓉研究組在Molecular Cell雜志在線發(fā)表了題為“Histone phosphorylation integrates the hepatic glucagon-PKA-CREB gluconeogenesis program in response to fasting”的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)了組蛋白H3S28磷酸化（H3S28ph）響應(yīng)饑餓情況下胰高血糖素信號，直接調(diào)控肝臟糖異生基因轉(zhuǎn)錄激活的生物學(xué)機(jī)制：在饑餓狀態(tài)下，胰高血糖素激活PKA信號通路，PKA繼而被CREB招募到基因組糖異生基因調(diào)控區(qū)域，磷酸化H3S28。磷酸化的H3S28ph被14-3-3 識別，招募更多的RNA聚合酶II（Pol II），激活糖異生基因轉(zhuǎn)錄。并發(fā)現(xiàn)進(jìn)食狀態(tài)下，PP2A作為H3S28ph的磷酸酶抑制其磷酸化，繼而抑制糖異生基因的表達(dá)。該研究發(fā)現(xiàn)了組蛋白磷酸化在肝臟糖穩(wěn)態(tài)調(diào)控中的生物學(xué)功能，并發(fā)現(xiàn)了CREB作為橋梁蛋白介導(dǎo)PKA磷酸化H3S28繼而調(diào)控糖異生基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控模式。
高血糖是2型糖尿病（T2D）的臨床特征，也是包括脂肪肝、肥胖等多種代謝性疾病的關(guān)鍵風(fēng)險因素。肝臟組織在維持機(jī)體糖代謝穩(wěn)態(tài)中起重要作用，而肝葡萄糖生成（HGP, hepatic glucose production）的失調(diào)會明顯加速T2D的發(fā)生和發(fā)展。肝臟HGP主要包括肝糖原的分解和糖異生。在饑餓狀態(tài)下，HGP主要來自于糖異生，而在T2D患者中，由于胰島素抵抗的發(fā)生，糖異生速率增加，進(jìn)一步導(dǎo)致了空腹血糖的增高。靶向肝臟糖異生是治療T2D的一種潛在策略。
糖異生（Gluconeogenesis）是指非糖前體（丙酮酸、乳酸、甘油、生糖氨基酸等）轉(zhuǎn)變?yōu)樘腔蛱窃倪^程。在正常生理狀態(tài)下，饑餓時血糖迅速下降，肝臟內(nèi)會發(fā)生快速的糖異生基因的表達(dá)，促進(jìn)糖異生，以維持正常血糖穩(wěn)態(tài)。糖異生基因包括編碼糖異生限速酶磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶1的基因PCK1、編碼葡萄糖-6-磷酸脫氫酶的基因G6PC等，其轉(zhuǎn)錄調(diào)控主要通過CREB和Foxo1兩個關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子介導(dǎo)的信號軸進(jìn)行。然而，基因轉(zhuǎn)錄的快速啟動不僅依賴于轉(zhuǎn)錄因子的激活，組蛋白修飾改變導(dǎo)致的大范圍內(nèi)染色質(zhì)開放或閉合狀態(tài)的重塑決定了基因轉(zhuǎn)錄激活的敏感性和有效性。在饑餓狀態(tài)下糖異生基因轉(zhuǎn)錄的快速啟動過程中，染色質(zhì)層面發(fā)生了什么相應(yīng)的變化，至今仍不甚清晰。
丁秋蓉研究團(tuán)隊首先廣泛篩選饑餓刺激的肝臟內(nèi)組蛋白翻譯后修飾變化，發(fā)現(xiàn)H3S28ph顯著上升。結(jié)合RNA-seq和H3S28ph的ChIP-seq、CUT&Tag結(jié)果，發(fā)現(xiàn)饑餓會誘導(dǎo)H3S28ph信號的明顯增加，尤其是在糖異生相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)域。進(jìn)一步通過肝臟特異過表達(dá)野生型H3.3（H3.3-wt）和突變型H3.3（模擬磷酸化突變H3.3-S28D和非磷酸化突變H3.3-S28A），證明H3.3-S28D可以顯著促進(jìn)肝臟糖異生基因表達(dá)和糖異生。
研究人員進(jìn)一步探究了H3S28ph的調(diào)控機(jī)制，發(fā)現(xiàn)胰高血糖素可以體內(nèi)、體外促進(jìn)肝細(xì)胞H3S28ph的發(fā)生，并通過一系列生化實驗和體內(nèi)功能實驗證明，細(xì)胞核內(nèi)的PKA是H3S28ph的激酶。更有意思的是，研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)PKA特異結(jié)合到糖異生基因調(diào)控區(qū)域依賴于CREB的招募，PP2A是H3S28ph的磷酸酶并抑制肝臟糖異生基因的表達(dá)。
針對H3S28ph如何激活糖異生表達(dá)的機(jī)制研究，通過蛋白質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn)在饑餓情況下，肝臟細(xì)胞核內(nèi)的14-3-3 表達(dá)上升。進(jìn)一步通過體外和CUT&Tag等實驗證明，14-3-3 是H3S28ph的表觀閱讀器，14-3-3 可以識別H3S28ph，并招募更多的Pol II到糖異生基因啟動子區(qū)域, 促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄；而敲除肝臟14-3-3 可以明顯抑制糖異生。
圖示. 在饑餓情況，血液內(nèi)胰高血糖素上升并與肝臟上受體結(jié)合，促進(jìn)肝臟細(xì)胞內(nèi)cAMP上升。PKA被激活并釋放出催化亞基，與基因組上的CREB結(jié)合后促進(jìn)H3S28ph。14-3-3 作為表觀閱讀器識別H3S28ph并招募RNA聚合酶II激活糖異生基因轉(zhuǎn)錄。相反地，PP2A是H3S28ph磷酸酶并抑制糖異生基因表達(dá)。
綜上所述，該研究揭示了組蛋白磷酸化修飾快速響應(yīng)饑餓刺激的胰高血糖素-PKA信號通路，進(jìn)而促進(jìn)肝臟糖異生基因轉(zhuǎn)錄的工作機(jī)制，豐富了對機(jī)體在染色質(zhì)層面如何響應(yīng)激素變化，調(diào)控代謝穩(wěn)態(tài)的生物學(xué)認(rèn)識。
該項研究得到了復(fù)旦大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院劉悒教授，中科院上海營養(yǎng)與健康研究所陳雁、秦駿、周犇研究員，上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院胡承教授的大力支持。中國科學(xué)院上海營養(yǎng)與健康研究所的副研究員趙永旭、助理研究員李爽為本文的第一作者，丁秋蓉研究員為本文通訊作者，趙永旭為共同通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金委、上海市科委、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會的支持，同時得到中國科學(xué)院上海營養(yǎng)與健康研究所公共技術(shù)中心和動物平臺的支持。
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