血清素（serotonin），又名五羥色胺（5-HT）是一種重要的神經(jīng)遞質(zhì)，負(fù)責(zé)在大腦神經(jīng)元之間傳遞信號(hào)，并且參與調(diào)節(jié)情緒。不過(guò)，中美兩國(guó)的科學(xué)家近日發(fā)現(xiàn)，血清素也以意想不到的方式調(diào)控神經(jīng)元中的基因表達(dá)。

美國(guó)西奈山伊坎醫(yī)學(xué)院的Ian Maze領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院的李海濤課題組、普林斯頓大學(xué)等機(jī)構(gòu)的研究人員也參與了研究。這項(xiàng)成果于3月份發(fā)表在《Nature》雜志上，有助于人們更好地了解各種腦部疾病，包括情緒失調(diào)、藥物濫用/成癮和神經(jīng)退行性疾病。

這項(xiàng)研究圍繞著DNA以及它如何形成每個(gè)人的遺傳圖譜展開(kāi)。眾所周知，DNA纏繞在組蛋白的周圍，形成核小體。當(dāng)編碼特定基因的DNA緊密纏繞時(shí)，這個(gè)基因不大可能表達(dá)。相反，松散纏繞的基因更有可能表達(dá)。不過(guò)，血清素對(duì)此過(guò)程有何影響呢？

血清素化位點(diǎn)的鑒定

之前的研究表明，血清素通過(guò)轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶2（TGM2）的轉(zhuǎn)酰胺作用與胞質(zhì)蛋白形成共價(jià)鍵。為此，研究人員探索了核蛋白是否也有類似的修飾。先，他們研究組蛋白是否能作為血清素化（serotonylation）的內(nèi)源性底物。通過(guò)Western blotting和重組TGM2酶分析，他們確認(rèn)組蛋白H3是血清素化的內(nèi)源性底物。

之后，研究人員利用5-HT開(kāi)展體外TGM2分析，接著進(jìn)行靶向液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜（LC-MS/MS）分析，鑒定H3上的血清素化位點(diǎn)。結(jié)果表明，血清素化發(fā)生在組蛋白H3上的第5位谷氨酰胺（Q5ser）。當(dāng)谷氨酰胺突變成丙氨酸時(shí)，TGM2的轉(zhuǎn)酰胺基活性喪失。

考慮到Q5ser與Lys4相鄰，研究人員接著分析了K4me3對(duì)TGM2介導(dǎo)的單酰胺化的潛在影響。他們對(duì)未修飾核小體或H3K4me3核小體進(jìn)行TGM2分析，發(fā)現(xiàn)K4me3對(duì)單酰胺化修飾無(wú)影響。同樣地，Q5ser的存在對(duì)MLL1（H3K4甲基轉(zhuǎn)移酶）體外修飾核小體的能力也沒(méi)有影響。于是，他們對(duì)H3K4me3Q5ser這種組合開(kāi)始感興趣。

研究人員制備了單修飾（H3Q5ser）和雙修飾（H3K4me3Q5ser）的特異性抗體。他們以含血清素細(xì)胞系（RN46A-B14細(xì)胞）和成年小鼠的大腦為研究對(duì)象，在免疫沉淀后開(kāi)展LC-MS/MS分析，證實(shí)了這些標(biāo)記存在于哺乳動(dòng)物細(xì)胞和組織中。不過(guò)，大腦中僅鑒定出雙重修飾，故后續(xù)研究集中在H3K4me3Q5ser。

他們接著研究了H3K4me3Q5ser在哺乳動(dòng)物組織中的分布。他們發(fā)現(xiàn)，這種標(biāo)記廣泛表達(dá)，但主要集中在產(chǎn)生5-HT的器官（比如大腦和結(jié)腸）。同時(shí)，心臟、外周血單核細(xì)胞和睪wan中也觀察到穩(wěn)定的信號(hào)。

血清素化調(diào)控基因表達(dá)

之后，研究人員檢測(cè)了人多能干細(xì)胞來(lái)源的5-HT神經(jīng)元在分化前后的H3K4me3Q5ser表達(dá)。他們發(fā)現(xiàn)，分化導(dǎo)致H3K4me3Q5ser水平顯著增加，同時(shí)伴隨著H3K4me3的變化（圖1）。染色質(zhì)免疫沉淀的結(jié)果表明，H3K4me3Q5ser峰的總數(shù)也隨著分化而明顯增加。

圖1. H3K4me3Q5ser對(duì)人5-HT神經(jīng)元的分化有反應(yīng)

小鼠大腦在胚胎發(fā)育過(guò)程中也呈現(xiàn)出一致的結(jié)果。與5-HT神經(jīng)元的結(jié)果相似，在發(fā)育期間激活的神經(jīng)元基因表現(xiàn)出H3K4me3和H3K4me3Q5ser的顯著增加，而表達(dá)水平維持不變的其他基因則未表現(xiàn)出明顯的標(biāo)記變化。

為了評(píng)估Q5ser在這些過(guò)程中的作用，研究人員又使用了RN46A-B14細(xì)胞培養(yǎng)模型。這些細(xì)胞能夠在體外分化以增加5-HT的產(chǎn)生，誘導(dǎo)細(xì)胞周期停滯，并促進(jìn)神經(jīng)突向外生長(zhǎng)的表型。與5-HT神經(jīng)元和小鼠大腦的數(shù)據(jù)一致，他們發(fā)現(xiàn)RN46A-B14細(xì)胞分化導(dǎo)致H3K4me3Q5ser水平的顯著增加。由此推斷，H3K4me3Q5ser可能對(duì)基因表達(dá)有貢獻(xiàn)。

接下來(lái)，研究人員直接驗(yàn)證了H3K4me3Q5ser在基因表達(dá)中的作用。他們制備了表達(dá)野生型H3.3或突變體H3.3（Q）的慢病毒，這個(gè)突變阻止了血清素化，但不影響H3第4位賴氨酸的三甲基化能力，并將其轉(zhuǎn)導(dǎo)到分化的RN46A-B14細(xì)胞。數(shù)據(jù)表明，與內(nèi)源性H3K4me3Q5ser表達(dá)的競(jìng)爭(zhēng)改變了靶基因的水平，對(duì)非靶位點(diǎn)幾乎沒(méi)有影響。在此期間，他們采用了賽業(yè)生物（Cyagen Biosciences）的慢病毒包裝服務(wù)。

在進(jìn)一步探究H3K4me3Q5ser的作用機(jī)制時(shí)，研究人員以H3K4me3結(jié)合蛋白為對(duì)象，評(píng)估了Q5ser與K4me3組合的存在是否影響這些結(jié)合事件。他們發(fā)現(xiàn)，結(jié)合增強(qiáng)的是轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合物TFIID的15個(gè)成員。隨后的免疫沉淀和western blotting分析證實(shí)了TFIID與H3K4me3之間的相互作用得以增強(qiáng)（圖2）。這意味著，血清素化讓部分DNA變得松散，從而增強(qiáng)了基因表達(dá)。

圖2. H3K4me3Q5ser增強(qiáng)了TFIID與H3K4me3的相互作用

作者表示，H3Q5的血清素化代表了組蛋白上一個(gè)內(nèi)源性的單酰胺化修飾，也代表了組蛋白谷氨酰胺殘基上一個(gè)非甲基化翻譯后修飾。關(guān)于組蛋白血清素化的體內(nèi)功能，還有許多問(wèn)題待研究。比如，血清素對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控是否也在情緒調(diào)節(jié)中發(fā)揮作用？這些新知識(shí)是否有助于開(kāi)發(fā)更好的藥物來(lái)治療抑郁癥或情緒失調(diào)？