肌动蛋白组氨酸甲基转移酶SETD3是一种CHD1赖氨酸二甲基转移酶

《Cancer Letters》：The Actin Histidine methyltransferase SETD3 is a CHD1 lysine di-methyltransferase.

甲基化转移酶SETD3通过催化CHD1赖氨酸209位点二甲基化，增强其蛋白稳定性和与H3K4me3的结合，促进TNF-NFκB通路基因转录，推动肿瘤进展。

　　彭伟林 | 王克里斯托弗 | 杨瑞 | 彭雄 | 赵振宇 | 何博学 | 青北 | 蔡启东 | 尹伟 | 陈一川 | 余峰雷 | 王翔 | 韦光涛

中南大学第二湘雅医院胸外科，中国湖南长沙410011

摘要

蛋白质甲基化是一种普遍存在的翻译后修饰，主要作用于赖氨酸、精氨酸和组氨酸残基。尽管SETD3（一种组氨酸甲基转移酶）在癌症中的具体作用尚不完全清楚，但异常的蛋白质甲基化已被证实与肿瘤发生有关。在本研究中，我们发现CHD1是SETD3的一种新的底物，SETD3能够对CHD1的209位赖氨酸（K209）进行二甲基化。该位点的二甲基化通过减少CHD1的泛素化来增强其稳定性。此外，SETD3还通过甲基化CHD1来增强H3K4me3表观遗传标记，并促进TNF-NFκB通路基因的转录激活。综上所述，我们的研究结果确立了CHD1作为SETD3底物的新身份，并揭示了SETD3介导的CHD1 K209位点二甲基化促进肿瘤进展的机制。

引言

蛋白质甲基化是一种广泛的翻译后修饰，涉及将一个、两个或三个甲基从S-腺苷甲硫氨酸（SAM）转移到氨基酸侧链上，主要发生在赖氨酸、精氨酸和组氨酸上，这一过程由蛋白质甲基转移酶催化。其中，赖氨酸甲基化最为常见。已知有两个结构域（SET（Su(var)3-9，Enhancer of Zeste, Trithorax）和7βS）具有赖氨酸甲基转移酶（KMT）活性。迄今为止，已经鉴定出超过50种含有SET结构域的蛋白质和150多种含有7βS结构域的蛋白质。大多数含有SET结构域的蛋白质具有甲基转移酶活性，并且能够作用于组蛋白和非组蛋白底物。SET结构域相关甲基转移酶的失调越来越多地被关联到肿瘤发生和治疗抵抗性中。例如，SET1A通过介导YAP在342位赖氨酸（K342）的单甲基化来促进结直肠癌的进展；NSD2-H3K36me2轴通过增强ULK1依赖的自噬来促进乳腺癌的转移；NSD2-H3K36me2轴显示出作为肺癌和胰腺癌治疗靶点的潜力；SETD4通过催化组蛋白H3在27位赖氨酸（H3K27）的三甲基化来抑制前列腺癌的发展。尽管SETD3主要被认作是一种组氨酸甲基转移酶，但其相互作用伙伴表明它还参与DNA复制和修复过程。然而，包括SETD3在内的许多SET家族成员的完整酶活性和底物特异性仍有待阐明。 CHD1（染色质结构域-解旋酶-DNA结合蛋白1）是一种成熟的染色质重塑复合物，它通过识别核小体上的H3K4甲基化来启动目标基因的转录。在PTEN缺失的前列腺癌和乳腺癌中，CHD1的磷酸化水平降低，从而抑制了其通过泛素-蛋白酶体途径的降解。然而，CHD1是否还受到其他翻译后修饰的调控尚不清楚。 在本研究中，我们证明了CHD1是甲基转移酶SETD3的一种新底物，SETD3能够对其209位赖氨酸（K209）进行二甲基化。K209位点的二甲基化通过阻止CHD1被泛素-蛋白酶体系统降解，从而增强了其稳定性。此外，二甲基化的CHD1对H3K4me3的结合能力增强。通过这些机制，SETD3促进了H3K4me3标记的富集，并促进了TNF-NFκB通路内基因的转录激活。综上所述，我们的研究结果揭示了SETD3介导的CHD1 K209位点二甲基化在调控肿瘤进展中的关键作用。

研究部分

为了研究肺腺癌中的异常蛋白质甲基化事件，我们利用临床蛋白质组学肿瘤分析联盟（CPTAC）数据库的数据分析了具有潜在非组蛋白底物的甲基转移酶的蛋白质表达水平。比较肺腺癌和正常肺组织后发现，包括SETD3在内的多种甲基转移酶在肿瘤样本中的表达显著上调（补充图S1A）。与此一致，进一步分析证实了...

讨论

在本研究中，我们通过共免疫沉淀和免疫荧光共定位实验发现了SETD3与CHD1之间的相互作用。质谱分析进一步证实了这种关联，并揭示了CHD1在K209位点的二甲基化。随后使用纯化的全长SETD3和CHD1蛋白进行的体外甲基化实验表明，SETD3确实能够对CHD1的209位赖氨酸进行二甲基化。我们确认CHD1是甲基转移酶SETD3的一种新底物...

细胞培养、质粒、sgRNA、抗体和化学品

本文中使用的人类293T细胞、支气管上皮细胞以及肺腺癌细胞系（BEAS-2B、PC9、SPCA1、H1299、A549和HCC827）均来自中南大学癌症研究所。人类前列腺癌细胞系PC3购自Procell（www.procell.com.cn）（中国武汉）。在使用前，这些细胞系通过短串联重复序列分析进行了鉴定。这些细胞在含有Gibco DMEM或1640培养基中进行培养...

CRediT作者贡献声明

彭伟林：撰写——初稿撰写、可视化处理、验证、监督、软件使用、资源管理、项目规划、方法设计、实验实施、数据分析、概念构建。 韦光涛：撰写——审稿与编辑、资金申请、数据分析、概念构建。 尹伟：数据分析。 陈一川：数据分析。 余峰雷：概念构建。 王翔：撰写——审稿与编辑、项目规划、资金申请。

利益冲突

作者声明本研究未涉及任何可能被视为潜在利益冲突的商业或财务关系。

数据和材料的可用性

本研究生成或分析的所有数据均包含在本文或补充材料、表格、图表及图表说明文件中。本研究未将数据存储于外部存储库中。

伦理批准和参与同意

所有动物实验程序均获得了中南大学机构动物护理和使用委员会的批准，并严格遵守了实验室动物护理和管理的法律法规。

资助

本研究得到了中国国家自然科学基金（82073097和81874139资助S.L.，82072594资助Y.T.，81872285资助Y.S.，82272982和81772927资助D.X.，81972195资助F.Y.，82172879资助L.W.）；湖南省自然科学基金；以及湖南省重点研发计划（2021SK2013、Y.T.，2021JJ30957、X.W.，2019SK2253、F.Yu.、X.W.，2020SK53424、X.W.，2021SK2020、B.W.）；湖南省科技创新计划（2022RC3072（Y. Tao）的支持。

利益冲突声明

作者声明本研究未涉及任何可能被视为潜在利益冲突的商业或财务关系。

致谢

我们非常感谢耶鲁大学医学院病理学系的秦燕教授（美国康涅狄格州纽黑文06520）提供的宝贵建议。