组蛋白生物素化修饰的调控机制研究

Biotin is a coenzyme molecule that widely exists in all kinds of living cells. Several different carboxylases in cells can have their certain lysine residues biotinylated, employing the biotin group to transfer carboxyl groups, leading to the carboxylation of substrate molecules. Biotinylation is also considered as one of the epigenetics-related post-translational modifications of histones, and is involved in many important cell processes. However, an opposite opinion argued that there is no detectable natural biotinylation on histones. In our prior research work, we have identified a nucleus-located debiotinylase that can efficiently remove the biotin groups from histones. Based on these results, we are aiming to study the biotinylation of histones, in particular its relationship with DNA damages, by the means of cell biology, mass spectrometry and structural biology. Meanwhile, we will also focus on the enzymological study and structural study of the writer and eraser of histone biotinylation and try to modify the debiotinylase into a tool enzyme suitable for removing any general biotin marker. This investigation will not only solve the puzzle of histone biotinylation, but also possesses potential financial values.

生物素是一种广泛存在于所有生物细胞中的辅酶分子。细胞中的若干种羧化酶在特定位点的赖氨酸上发生生物素化修饰，利用其来转运羧酸基团，完成底物分子的羧化反应。生物素化修饰也被认为是表观遗传相关的组蛋白翻译后修饰中的一种，并参与了众多重要的细胞功能。然而也有研究提出了相反的观点，认为组蛋白上不存在可以检测到的生物素化修饰。申请人在前期研究中鉴定得到了一种定位于细胞核内的去生物素化酶，能够高效移除组蛋白上的生物素化修饰。本项目将以此为基础，把去生物素化酶作为一个切入点，综合利用细胞生物学、质谱学、结构生物学等手段，深入研究组蛋白生物素化现象，特别是其与DNA损伤之间的关系，同时对其修饰酶和去修饰酶进行体外的酶学研究和结构生物学研究，并力争在此基础上将去生物素化酶改造成为一种适用于一般性生物素标记移除的工具酶。这一研究不仅将会为组蛋白的表观遗传修饰研究补充新的一块拼图，也将具有潜在的经济价值。

生物素是一种广泛存在于所有生物细胞中的辅酶分子。细胞中的若干种羧化酶在特定位点的赖氨酸上发生生物素化修饰，利用其来转运羧酸基团，完成底物分子的羧化反应。生物素化修饰也被认为是表观遗传相关的组蛋白翻译后修饰中的一种，并参与了众多重要的细胞功能。然而也有研究提出了相反的观点，认为组蛋白上不存在可以检测到的生物素化修饰。本项目的研究中，在天然细胞中首次获得了核内组蛋白上发生生物素化修饰的确定性质谱证据，并且鉴定得到了多个可以发生生物素化修饰的组蛋白位点，包括H3K9和H3K18等。本项目还通过基因敲除等方法，确证了组蛋白上的生物素化位点是由去生物素化酶负责去除修饰的。进一步地，本项目研究解析了去生物素化酶的晶体结构，以及其与底物多肽的复合物结构，并结合体外的酶活研究，建立了该酶详细的催化分子机制。本项目的研究工作为进一步深入探究生物素化修饰在表观遗传中所起的作用做好了铺垫。