Nature | 发育过程中细胞核位置调控组蛋白乙酰化水平（微信文章未删减版）

撰文 | 一只鱼

组蛋白乙酰化可以调控基因表达、细胞功能和细胞命运，正确的组蛋白乙酰化对于组织发育是必须的，组蛋白乙酰化水平的变化与癌症相关。组蛋白乙酰化主要受乙酰转移酶和去乙酰化酶的影响，同时也受到细胞代谢状态的影响。在发育过程中，细胞核的位置也十分重要，但是细胞核的位置与乙酰化水平之间的关系仍不清楚。

近日，来自德国癌症研究中心和海德堡大学的Aurelio A. Teleman研究团队在Nature上发表题为Nuclear position and local acetyl-CoA production regulate chromatin state的文章，发现果蝇翅成虫盘的上皮组织具有独特的组蛋白乙酰化模式，在成虫盘的边缘区域H3K18ac和H4K8ac水平增加，这种乙酰化模式是由细胞核位置控制的，外围的细胞核具有更高水平的乙酰辅酶A合成酶和脂肪酸β氧化水平。

为了研究组蛋白乙酰化和细胞代谢在生长的组织中是否是均匀的，研究人员利用果蝇翅成虫盘作为模型进行研究，总的H3、H3K9ac、H3K27ac和H3甲基化水平是均匀的，而H3K18ac和H4K8ac在成虫盘的边缘富集，接下来他们选择H3K18ac作为代表性修饰进行研究。为了研究这种分布模式背后的机制，他们用teashirt-GAL4（tshG4）驱动子（在近端H3K18ac^high细胞中表达）与温度敏感的GAL80（G80^ts）结合，诱导凋亡基因reaper表达，诱导后24小时，tsh表达区域消失，然而一层新的具有不同细胞身份的H3K18ac^high细胞边缘出现了，说明H3K18ac^high不是由细胞身份决定的。并且新形成的H3K18ac^high边缘包含袋状结构（pouch）的背侧边缘，而这部分通常位于成虫盘的内部并且是H3K18ac^low的。因此当这些pouch细胞位于成虫盘边缘时会变成H3K18ac^high。因此，相邻的细胞具有不同水平的H3K18ac，并且H3K18ac水平与其细胞核位置相对应，当细胞核位于组织表面时，它们会变成H3K18ac^hig^h。这种边缘高H3K18ac水平可能是由于乙酰化较高或者去乙酰化较低所导致的，于是他们敲降了乙酰化酶Nej、Gcn5和Elp3，发现只有敲降Nej可以导致H3K18ac水平降低。为了找到翅成虫盘中的H3K18ac去乙酰化酶，他们开发了一种H3K18ac去乙酰化实验，用RNAi筛选发现Hdac1是翅成虫盘中的主要H3K18ac去乙酰化酶。

接下来，为了研究为什么边缘细胞核具有高乙酰化水平，他们检测了Nej的mRNA和蛋白水平，发现并没有在边缘区域增加，Nej活性也没有变化。因为Nej也可以将巴豆酰-CoA转移到H3K18上产生H3K18crot，并且H3K18crot水平是均匀的，而H3K18crot和H3K18ac之间的唯一差别就是底物乙酰辅酶A，有几条通路可以产生乙酰辅酶A，包括糖酵解、谷氨酰胺分解和脂肪酸β氧化（FABO），他们用这些通路的抑制剂进行测试，发现只有一只FABO可以显著降低边缘区域的H3K18ac水平，并且用辛酸处理可以部分恢复这一表型。因此，FABO是边缘区域H3K18ac的乙酰辅酶A的主要来源。接下来他们检测了FABO水平，由于FABO贡献了线粒体膜电势（MMP），他们首先用TMRM检测MMP，发现MMP只在翅成虫盘的近端区域较高，并且抑制FABO也可以显著降低MMP。由FABO产生的乙酰辅酶A位于线粒体中，需要被转运出去才能进行组蛋白乙酰化，转运要么是通过柠檬酸（在细胞质中通过ACLY变回乙酰辅酶A）要么是通过乙酸（通过ACSS2变回乙酰辅酶A）形式转运出去，于是他们抑制了ACLY和ACSS2，发现只有抑制ACSS2可以显著降低H3K18ac水平，并且回补乙酸可以恢复这一表型。由于外源性乙酸可以特异性恢复边缘区域的H3K18ac水平，他们检测了ACSS2活性，发现在边缘区域的细胞核中ACSS2的水平更高。