本周跟大家分享一篇发表在ACS Chem. Bio.上的文章，文章题目是“Genetically Encoded Benzoyllysines Serve as Versatile Probes for Interrogating Histone Benzoylation and Interactions in Living Cells”，本文的通讯作者是来自上海药物所的Xiaohua Chen研究员和 上海科技大学的Haiming Liu研究员，前者的研究方向是药物化学和化学生物学，后者的研究方向是物质材料表征、核磁共振波谱、表面能分析。
组蛋白翻译后修饰是重要的表观遗传调节因子，可直接改变染色质结构并控制基因转录，从而影响多种生物过程，除了组蛋白上的赖氨酸短链酰化修饰，近年来报道了一种新型的表观遗传标记—组蛋白赖氨酸苯甲酰化（Kbz）。这种新型组蛋白标记在与甘油磷脂代谢、磷脂酶D信号通路、卵巢类固醇生成、5 -羟色胺突触和胰岛素分泌相关的活性基因的启动子上富集。因此组蛋白苯甲酰化及其动态调控的发现为研究组蛋白表观遗传学、生理功能和苯甲酸钠对细胞的影响具有重要意义。与乙酰化等短链酰化修饰相比，苯甲酰化修饰具有较大的芳香基团和较强的疏水性，并且该修饰仅受到去乙酰化酶 2 (SIRT2)的调节。之前对于组蛋白苯甲酰化的研究是将合成的含有苯甲酰赖氨酸残基的组蛋白肽片段作为底物进行的，用以研究SIRT2的去苯甲酰化活性以及苯甲酰化肽-reader的共晶结构分析。然而，苯甲酰化肽段与全长组蛋白在动力学、分子识别和相互作用蛋白的结合方面差别很大。本文作者利用非天然氨基酸插入技术，位点特异性的在天然全长组蛋白中进行赖氨酸苯甲酰化，以研究苯甲酰化和苯甲酰化-结合伴侣在体外和生命体系中的相互作用。 首先，作者对吡咯赖氨酰-tRNA 合成酶 (PylRS) 突变体进行了测试和理论计算，利用docking获得了能够用于Kbz插入的突变体MmPylRS (Y384F)，在大肠杆菌中验证了苯甲酰赖氨酸能够位点特异性的插入组蛋白H3中。考虑到19F的化学位移对环境的敏感性以及蛋白中没有氟的信号背景，作者又合成了两个氟代的苯甲酰赖氨酸2-F-Kbz和2,5-2F-Kbz，经过实验发现MmPylRS (Y384F)也可以将氟代的苯甲酰赖氨酸定点插入Ub和组蛋白H3中。接下来，作者使用19F探针研究组蛋白苯甲酰化，利用19F NMR光谱检测了蛋白质中赖氨酸苯甲酰化的氟化物信号，发现2-F-Kbz和Ub-3（2-F-Kbz）的化学位移发生了明显变化，因此作者认为将氟化苯甲酰赖氨酸作为探针，可以更好地了解体外组蛋白PTM和体内动力学。
接下来，作者研究了组蛋白苯甲酰化修饰和脱苯甲酰化酶SIRT2的相互作用，基于已有研究中K18和K27位点的苯甲酰化修饰，作者对SIRT2的去苯甲酰化速率进行了测试，发现H3-27Kbz的去苯甲酰化速率远高于H3-18Kbz，此外，在催化量的SIRT2作用下(5%)，H3-18Kbz的脱苯甲酰化速率随着时间的延长明显降低，作者推测可能是由于SIRT2与H3-18Kbz相互作用和识别具有浓度依赖性。最后，作者在哺乳动物细胞中对组蛋白的苯甲酰化修饰进行了研究，证明了MmPylRS (Y384F)可以在HEK293T细胞中对两种探针实现组蛋白H2B中的高效插入。
总而言之，本文利用非天然氨基酸插入技术以及19F NMR的化学清晰度，对大肠杆菌和哺乳动物细胞组蛋白的赖氨酸苯甲酰化修饰进行了研究。
本文作者：Cheny
责任编辑：LYP
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acschembio.1c00614
原文引用：DOI：10.1021/acschembio.1c00614
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