北京协和医学院PLOS发表基因表达调控新成果

2014年12月23日，中国医学科学院北京协和医院张业课题组的研究人员，在国际著名学术期刊《PLOS Biology》发表了一项最新研究成果。这项研究首次提出证据表明，组蛋白赖氨酸脱甲基酶（KDM）可以通过磷酸化作用而被修饰，来决定它与靶基因的特异性结合，以响应热应力。

　　

生物通报道：2014年12月23日，中国医学科学院北京协和医院张业课题组的研究人员，在国际著名学术期刊《PLOS Biology》发表了一项最新研究成果，题为“Specific Phosphorylation of Histone Demethylase KDM3A Determines Target Gene Expression in Response to Heat Shock”。这项研究首次提出证据表明，组蛋白赖氨酸脱甲基酶（KDM）可以通过磷酸化作用而被修饰，来决定它与靶基因的特异性结合，以响应热应力。

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本文通讯作者分别为中国医学科学院北京协和医学院基础学院的沈珝琲和张业。沈珝琲教授本科毕业于中国协和医科大学，研究生毕业于中国医学科学院，美国洛克菲勒大学客座研究，美国贝勒医学院访问教授。张业研究员，2000年获北京协和医学院博士学位，2000至2003年在哈佛医学院从事博士后研究。2003年进入中国医学科学院基础医学院工作，任研究员、博士生导师，2005年获“教育部新世纪优秀人才计划”，2011年被聘为协和学者特聘教授。该课题组由沈珝琲教授于1985年创建，张业2003年回国后加入，2007年起任课题组长。本课题组一直从事真核基因表达调控研究，近年来侧重于染色质调控机制研究，十余年来在J Biol Chem、FEBS Lett、J Cell Physiol等国外知名期刊和国际SCI检索的其它期刊等共发表研究论文近百篇，并多次在高水平的国际会议进行学术交流。

组蛋白修饰，例如甲基化甲基化和乙酰化，可调节RNA合成。不同于乙酰化的激活作用，组蛋白中赖氨酸残基的甲基化，对基因可以产生激活或抑制效应，这取决于添加的甲基原子团数量和组蛋白尾部赖氨酸残基的位置。例如，组蛋白（H）3（(H3K9me2/3）、H3K27me2/3和H4K20me3上的赖氨酸（K）9的二甲基化或三甲基化是抑制性的，而H3K4me3和H3K36me3的二甲基化或三甲基化则能增强靶基因的转录。

这一领域的一大突破是，研究发现组蛋白尾部的甲基化作用是一个可逆过程。这一发现是基于两类组蛋白赖氨酸脱甲基酶（KDMs）的识别，即FAD依赖性胺氧化酶LSD1和Jumonji C (JmjC)结构域脱甲基酶，一类Fe2+-和2-酮戊二酸依赖性KDMs。

在JmjC结构域甲基化酶之中，KDM3A（也称为JHDM2A或JMJD1A）最初被确定为一种在雄性生殖细胞中高度表达的testis-enriched锌指蛋白，参与生殖细胞的发育。KDM3A后来被确定为一种H3K9me2/1脱甲基酶，可通过一种雄激素依赖性途径，激活雄激素受体（AR）基因的表达。此外，KDM3A已被证明可调节参与精子发生、代谢和细胞分化的基因。有着如此广泛的功能多样性，KDM3A在体内适当时间、调控适当基因和靶定适当元素的作用机制，就引起研究人员非常大的兴趣。

翻译后蛋白修饰用于确定蛋白质功能是非常重要的，包括含JmjC结构域的蛋白，如PHF8，它可被细胞周期素依赖性激酶（CDK）磷酸化，包括PHF8从染色质的解离。PHF2在分离状态时没有酶活性，但是复合物中的PKA-磷酸化PHF2和ARID5B表现出H3K9Me2脱甲基酶活性。PKCα–磷酸化LSD1与CLOCK:BMAL1形成一种复合体，可促进E-box介导的转录激活。然而，KDM3A是否磷酸化以及这一修饰的后果如何，仍然是未知的。

这项研究表明，分裂素-和压力激活的蛋白激酶1（MSK1），可特异性的使Ser264 (p-KDM3A)上的KDM3A磷酸化，其在人类基因组中基因位点的调控区非常丰富。在热休克条件下，p-KDM3A可直接相互作用，并被转录因子Stat1招募，以激活p-KDM3A靶基因。Stat1结合位点上的H3K9me2去甲基化，特别依赖于热休克细胞中p-KDM3A的共表达。与热休克相反，IFN-γ处理不会通过MSK1使KDM3A磷酸化，从而消除其下游的影响。据我们所知，这是首次有证据表明，KDM可以通过磷酸化作用而被修饰，来决定它与靶基因的特异性结合，以响应热应力。

（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Specific Phosphorylation of Histone Demethylase KDM3A Determines Target Gene Expression in Response to Heat Shock
Abstract: Histone lysine (K) residues, which are modified by methyl- and acetyl-transferases, diversely regulate RNA synthesis. Unlike the ubiquitously activating effect of histone K acetylation, the effects of histone K methylation vary with the number of methyl groups added and with the position of these groups in the histone tails. Histone K demethylases (KDMs) counteract the activity of methyl-transferases and remove methyl group(s) from specific K residues in histones. KDM3A (also known as JHDM2A or JMJD1A) is an H3K9me2/1 demethylase. KDM3A performs diverse functions via the regulation of its associated genes, which are involved in spermatogenesis, metabolism, and cell differentiation. However, the mechanism by which the activity of KDM3A is regulated is largely unknown. Here, we demonstrated that mitogen- and stress-activated protein kinase 1 (MSK1) specifically phosphorylates KDM3A at Ser264 (p-KDM3A), which is enriched in the regulatory regions of gene loci in the human genome. p-KDM3A directly interacts with and is recruited by the transcription factor Stat1 to activate p-KDM3A target genes under heat shock conditions. The demethylation of H3K9me2 at the Stat1 binding site specifically depends on the co-expression of p-KDM3A in the heat-shocked cells. In contrast to heat shock, IFN-γ treatment does not phosphorylate KDM3A via MSK1, thereby abrogating its downstream effects. To our knowledge, this is the first evidence that a KDM can be modified via phosphorylation to determine its specific binding to target genes in response to thermal stress.