Nature | 深圳大学朱卫国报道脱酰胺修饰及乙酰化调控的DNA损伤修复新机制

景杰生物 | 报道

DNA双链断裂（DSB）是DNA损伤中最严重的类型之一，其高效修复对于维持基因组稳定性至关重要。染色质的可及性是DSB修复的关键因素，组蛋白翻译后修饰（PTMs）如乙酰化修饰在调控染色质结构和动力学中发挥重要作用。组蛋白H1通过与核小体结合，促进染色质的紧凑折叠，从而影响DNA损伤修复。然而，组蛋白H1的翻译后修饰如何调控染色质松弛和DNA损伤修复的机制尚未完全阐明。

4月16日，深圳大学朱卫国教授团队在国际顶刊Nature上在线发表了题为“Histone H1 deamidation facilitates chromatin relaxation for DNA repair”的最新研究成果。该研究揭示了组蛋白H1中天冬酰胺76和77（H1N76/77)位的脱酰胺修饰通过级联反应促进H1临近位点H1K75的乙酰化来调节染色质重塑，进而促进损伤修复因子的募集机制。

该研究基于乙酰化修饰组学、修饰位点鉴定、特异性抗体验证等方法，阐明了CTP合酶1（CTPS1）介导的组蛋白H1的脱酰胺修饰和乙酰化在DNA损伤修复中的作用。此外，CTPS1的高表达与癌症放疗抵抗相关，是提高放疗效果的潜在治疗靶点。景杰生物为该研究提供了蛋白质组学、乙酰化修饰组学、修饰位点鉴定技术支持，和修饰抗体（组蛋白乙酰化/甲基化抗体、乙酰化泛抗体）及抗体定制服务（组蛋白脱酰胺修饰特异性位点抗体）。

图1 本研究模式图

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组蛋白H1脱酰胺修饰调控DNA损伤修复

研究选取HeLa宫颈癌细胞作为研究对象。二维凝胶电泳实验发现，DNA损伤后，组蛋白H1的三个主要亚型（H1.2、H1.3和H1.4）的正电荷均减少，其中H1.4对染色质的凝聚作用最强。质谱分析结果表明，H1.4的Asn76和Asn77位点的脱酰胺化是DNA损伤后最显著的修饰事件。

研究进一步通过景杰生物提供的靶向组蛋白H1（N76D/N77D）的特异性抗体进行验证，并结合构建突变体发现，H1.4的脱酰胺化对于DNA损伤修复至关重要，H1.4-KO细胞的DNA修复效率显著下降，而表达模拟去酰胺化的H1.4-2ND突变体的细胞则表现出较好的修复能力。

图2 DNA损伤修复需要H1（N76D/N77D）

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CTPS1介导DNA损伤后的组蛋白H1脱酰胺修饰

进一步的，研究发现CTPS1是唯一能够催化组蛋白H1去酰胺化的谷氨酰胺转氨酶家族成员（GATs）家族成员。CTPS1的敲低和重新表达会抑制和恢复H1(N76D/N77D)的水平。

通过体外脱酰胺化实验，研究者证实了CTPS1能够直接作用于组蛋白H1.4，导致其向正极移动，且组蛋白H1(N76D/N77D)水平上升。重要的是，研究基于单蛋白修饰位点鉴定发现，DNA损伤后，CTPS1在Ser575位点的磷酸化使得其募集到DNA双链断裂（DSB）位点，从而介导组蛋白H1（N76D/N77D）。此外，研究发现CTPS1在DNA损伤修复中的作用主要依赖于H1，并且组蛋白H1（N76D/N77D）是调节CTPS1介导的DNA损伤修复的功能修饰位点。

图3 CTPS1响应DNA损伤使H1 N76/N77脱酰胺

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H1(N76D/N77D)和H1K75ac共同调控DNA损伤修复

基于上述结论，研究推测组蛋白H1（N76D/N77D）与DNA损伤反应期间的染色质松弛有关。组蛋白乙酰化与DNA损伤修复密切相关。因此，研究团队运用乙酰化修饰组学结合组蛋白特异性乙酰化修饰位点抗体验证等实验结果显示，组蛋白H1(N76D/N77D)修饰的细胞在DNA损伤后能够诱导H1K75的乙酰化（H1K75ac），而H1.4-2NA或H1.4-2NR突变体则无法诱导H1K75ac。这表明H1(N76D/N77D)是H1K75ac发生的先决条件。此外，研究人员还发现，H1K75ac的水平在DNA损伤后迅速上升，并且与H1(N76D/N77D)的分布高度一致。

进一步的，研究者通过敲低多种典型组蛋白乙酰转移酶（HATs），发现只有p300的敲低能够特异性地抑制IR诱导的H1K75ac。体外乙酰化实验表明，p300的催化核心足以乙酰化H1K75。此外，CTPS1缺陷的细胞中，p300无法被招募到DSBs位点，而H1.4-2ND的表达能够恢复p300与H1.4的结合，从而促进H1K75ac的产生。这表明CTPS1介导的H1(N76D/N77D)通过增强p300与H1.4的相互作用，为H1K75ac提供了条件。

图4 H1（N76D/N77D）是H1K75ac的先决条件

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H1K75ac促进染色质松弛

接下来的研究发现，H1.4-KR、H1.4-RAA和H1.4-RRR突变体的细胞对微球菌核酸酶（MNase）的抗性增加，且H3的释放量降低，表明这些突变体导致染色质更紧密。而H1.4-KQ和H1.4-QDD突变体的细胞则表现出更松弛的染色质状态。

4OHT诱导后，H1.4-RAA突变体的细胞在AsiSI位点附近的染色质可及性降低。这些结果表明，H1(N76D/N77D)和H1K75ac促进了DNA损伤后的染色质松弛。

图5 H1（N76D/N77D）和H1K75ac促进染色质松弛并维持基因组稳定性

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CTPS1可作为癌症放射治疗的潜在靶点

染色质松弛会导致基因组不稳定和染色体异常，进而导致肿瘤细胞对放疗的反应而死亡。研究进一步发现，CTPS1-KO细胞在DNA损伤后的存活率显著下降，且在体外实验中表现出对VP16或IR处理的敏感性增加。在体内实验中，CTPS1-KO细胞形成的肿瘤在IR处理后的生长受到更大程度的抑制。

此外，高CTPS1表达的癌细胞系对放射治疗的抵抗性更强。通过对临床宫颈癌样本的分析，研究人员发现CTPS1的高表达与放射治疗抵抗性相关，且与患者的生存率降低有关。以上结果表明，CTPS1具有作为癌症治疗放射增敏剂的潜在作用，可能是改善癌症放疗的潜在靶点。

综上所述，本研究揭示了CTPS1（CTP合成酶1）和“脱酰胺–乙酰化”级联修饰机制在DNA损伤应答中的独特作用：DNA损伤后，CTPS1迅速被招募到损伤位点，催化H1.4的Asn76和Asn77位点脱酰胺化，这一修饰为后续的H1K75乙酰化（由p300介导）创造条件，进而导致染色质结构松弛，促进DNA修复因子的结合，提高DNA损伤修复效率。此外，研究还发现CTPS1的高表达与癌症放射治疗抵抗性相关，提示CTPS1可能作为癌症治疗的潜在靶点。也为探索关键酶类在不同的细胞内外环境下发挥不同的生物学功能提供了很好的启示。

景杰评述

本文通过蛋白质组学、乙酰化修饰组学、抗体验证等系列组合拳的研究思路，深入研究CTPS1在DNA损伤修复中的作用，揭示了其通过催化H1脱酰胺化促进染色质松弛的新机制。这一发现不仅丰富了我们对染色质动态调控机制的理解，还为DNA损伤修复的研究提供了新的视角。此外，研究结果将CTPS1与癌症治疗联系起来，CTPS1的高表达与宫颈癌患者对放射治疗的抵抗性密切相关，这为开发新的癌症治疗策略提供了重要的靶点。

值得一提的是，本文的通讯作者朱卫国教授长期致力于肿瘤表观遗传调控、蛋白质修饰、DNA损伤修复机制及细胞自噬的研究，此前多次通过乙酰化修饰组学、质谱分析等方法先后揭示了非酒精性脂肪肝疾病机制、PDHE1α介导的DNA损伤修复机制。本文的发表，一方面是对于DNA损伤应答机制的重要补充，另一方面是对癌症防治基础研究的突破性进展，重要的是，再次体现了基于质谱的组学分析、修饰位点鉴定的关键价值，其结合抗体验证等系列组合拳的研究思路值得我们参考借鉴。

景杰生物致力于提供权威、专业的蛋白质组学及修饰组学科技服务，拥有高特异性的修饰类泛抗体；高分辨率、高灵敏度的质谱仪；经验丰富的蛋白质修饰组研究团队及生信分析团队。截至目前，项目成果接连见刊于Cell、Nature、Science等国际顶尖杂志，助力精准医学、免疫组学、动植物科学等领域的创新研究。同时作为蛋白质组学驱动精准医学领域的领军企业，景杰生物凭借卓越的技术储备，现已推出10X Proteomics超高深度蛋白质组学、修饰组学技术服务，进一步升级全线产品，“星舰”计划正式起航，欢迎各位老师前来咨询！！

参考文献：

Tian Y, et al. 2025. Histone H1 deamidation facilitates chromatin relaxation for DNA repair. Nature.