PNAS |?戈凱團隊揭示脂肪細胞中組蛋白伴侶HIRA的功能及調控轉錄的新機制

脂肪組織在維持機體糖脂穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮核心作用，其不僅負責能量儲存，還作為內分泌器官分泌多種脂肪因子【1,2】。 脂聯素 ( a diponectin ) 由 Adipoq 基因編碼，是調節(jié)胰島素敏感性的關鍵脂肪因子， Adipoq 敲除小鼠表現出嚴重的胰島素抵抗，尤其是在高脂飲食刺激下【3,4】。脂肪組織的 發(fā)育 ( adipogenesi s ) 受到 PPARγ 、 C/EBPα 等轉錄因子及多種表觀 遺傳 因子的共同控制【5,6】，脂肪細胞數目增加 ( 增生 ) 及體積增大 ( 肥大 ) 共同驅動了肥胖狀態(tài)下脂肪組織的擴張【2,7】。然而，組蛋白伴侶在脂肪組織功能維持及擴張中的作用未被報道 過 。

組蛋白伴侶 HIRA ( H istone R egulator A ) 可將組蛋白 H3 變體 H3.3 以不依賴 DNA 復制的方式 整合到 基因調控區(qū)域包括啟動子和增強子【8-12】。此前研究表明， HIRA 介導的 H3.3 在基因組上的整合 對胚胎發(fā)育、心臟發(fā)育、造血及肌肉再生等多個生物學過程至關重要，提示其功能具有譜系或階段特異性【13-16】。然而， HIRA 如何調控基因表達，并 是否參與脂肪組織功能調控，目前尚不清楚。

近日，美國國立衛(wèi)生研究院 ( NI H) 糖尿病 和消化及 腎臟病 研究 所 ( NIDDK )戈凱團隊在PNAS雜志上發(fā)表了題為Histone chaperone HIRA regulates adiponectin expression and obesity-associated adipose expansion by facilitating Pol II pause release的文章 。該研究證明脂肪細胞特異性敲除Hira會損害小鼠胰島素敏感性并限制高脂飲食誘導的脂肪組織擴張。機制上HIRA結合Adipoq及脂代謝基因的啟動子和增強子，促進暫停在啟動子上的RNA聚合酶II(Pol II)的釋放及轉錄延伸。這一過程很可能獨立于HIRA經典的整合H3.3的功能。

研究團隊首先將 Hira f/f 小鼠與 Adipoq -Cre 小鼠雜交，構建了脂肪細胞特異性 Hir a 敲除小鼠 ( A-KO ） 。在正常飲食條件下， A-KO 小鼠的體重、脂肪量及瘦體重與對照組 ( f/f ) 小鼠并無明顯差異，但血清脂聯素水平降低約 3 倍，胰島素水平及 胰島素抵抗穩(wěn)態(tài)模型評估 指數 ( Homeostasis Model Assessment of Insulin Resistanc e ) 顯著升高，提示存在胰島素抵抗。 對脂肪組織的 RNA - Seq 分析顯示， Adipoq 、 Retn 、 Slc25a1 等胰島素 應答 及脂代謝相關基因表達顯著下調，而脂肪 發(fā)育 標志基因 Pparg 和 Cebpa 未受影響，表明 HIRA 缺失特異性影響了 脂代謝 基因 表達 。

為探究 HIRA 在肥胖發(fā)生中的作用，研究人員進一步給予小鼠 8 周高脂飲食喂養(yǎng)。與對照組相比， A-KO 小鼠體重及脂肪量增加顯著減少，尤其是附睪脂肪增重受限最為明顯 ，且 脂肪細胞體積總體偏小，提示脂肪細胞肥大過程受阻。 同時， A -KO 小鼠 血清 中 總膽固醇、脂聯素及瘦素水平均顯著降低。 RNA - S eq 結果表明 ， Fasn 、 Agpat2 、 Bscl2 、 Cd36 等脂代謝基因在兩種脂肪組織中一致下調，功能富集分析顯示這些基因高度集中于脂質代謝通路 。這些結果 提示 HIRA 對肥胖相關的脂肪組織擴張至關重要。

為深入 探究 HIRA 調控轉錄的分子機制，研究團隊在 3T3-L1 脂肪 前 體 細胞中引入 dTAG 快速蛋白降解系統 ，實現對 HIRA 蛋白的 快速 清除 ( 3 小時內清除超過 90% ) ，從而避免 穩(wěn)定 基因敲除帶來的繼發(fā)效應。 ChIP-Seq 分析顯示， HIRA 在脂肪細胞分化 第 4 天 直接 結 合 Adipoq 、 Chrebp 、 Fasn 等 脂質代謝 基因的啟動子和增強子區(qū)域 。第 4 天 恰好是這些基因被強烈誘導表達的 時間點。 結合新生 RNA 測序 ( nascent RNA-Seq ) 分析，研究人員發(fā)現 快速 清除 HIRA 后， Adipoq 及 Chr ebp 等 多個脂代謝基因的轉錄水平顯著下降，證實 HIRA 對這些基因的轉錄具有直接的正向調控作用。

有意思的是， 快速 清除 HIRA 后，轉錄 共 激活因子 CBP 、 BRD4 及 Mediator 復合物亞基 MED1 在增強子上的招募幾乎不受影響，說明 HIRA 并非通過調控增強子活化發(fā)揮作用。進一步 對 Pol II 在染色體上的結合 分析顯示， HIRA 清除后 Pol II 在啟動子處 明顯 累積，全基因組水平 P ol II 的暫停指數 ( pausing index ) 顯著升高；與此同時，代表轉錄起始的 Ser5 磷酸化 Pol II 水平上升，而代表轉錄延伸的 Ser2 磷酸化 Pol II 及延伸因子 CDK9 、 SPT6 水平則明顯下降。這些結果表明， HIRA 的核心功能在于促進 Pol II 從啟動子近端暫停狀態(tài)釋放并進入有效延伸，而非調控轉錄起始。值得注意的是， 快速 清 除 HIRA 6 小時后， H3.3 的整合 僅出現 微弱 下降，而 Pol II 暫停釋放 的 缺陷 明顯 ，提示 HIRA 介導的這一轉錄調控機制很可能獨立于其經典的 H3.3 整合 功能。

總的來說，該研究首次將組蛋白伴侶 HIRA 與脂肪組織功能及肥胖聯系起來，揭示了一條區(qū)別于經典 H3.3 整合 途徑的全新轉錄調控機制 ： HIRA 直接結合 Adipoq 及脂代謝基因的調控元件，促進 RNA Pol II 暫停釋放及轉錄延伸，從而維持 相關基因的正常表達 。這一發(fā)現不僅拓展了組蛋白伴侶調控基因轉錄的認知框架，也為肥胖及胰島素抵抗的治療提供了潛在的新靶點。

NIH 的萬丹陽博士是本文的獨立第一作者 ( 現為 NIH Research Fellow ) 。原 NIH 終身 資深研究員 戈凱為通訊作者。 該工作得到了 NIH 的 Keiko Ozato 和 Oksana Gavrilova 等合作者的大力支持。

https://doi.org/10.1073/pnas.2603875123

戈凱教授現已全職回國，加盟浙江大學醫(yī)學院附屬第一醫(yī)院，創(chuàng)建表觀遺傳研究所并擔任所長。研究發(fā)育、肥胖和腫瘤的表觀遺傳調控，聚焦增強子上的染色質修飾酶。戈凱團隊 現階段在國內具備充足且穩(wěn)定的科研經費支持 ，現面向國內外招聘優(yōu)秀團隊成員。感興趣的請聯系。

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