项目文章｜Nature Metabolism（19.865）&SESAME复合物通过乙酰辅酶A的生成调节细胞衰老

代谢重编程和表观遗传修饰密切相关并相互调节，阐明它们之间的关系既对疾病研究有重要意义，又是近些年国自然的热点方向。本期，我们带来了一篇代谢与组蛋白修饰在端粒沉默与细胞衰老方向的项目文章，希望能给大家带来新的思路。

今天，我们分享一篇湖北大学生命科学学院、省部共建生物催化与酶工程国家重点实验室李珊珊/余希岚课题组在Nature Metabolism（IF:19.865）杂志发表的文章“The SESAME complex regulates cell senescence through the generation of acetyl-CoA”，研究思路非常启发性，该研究揭示了代谢与组蛋白修饰之间的直接联系以及细胞响应外界营养变化的新机制，主要利用ChIP-seq、RNA-seq等技术证明醋酸盐通过增强SESAME复合体与乙酰转移酶复合体SAS之间的相互作用，促进Sir2从端粒解离，破坏端粒异染色质结构，减弱端粒沉默，加速细胞衰老。其中ChIP-seq技术由爱基百客生物提供支持。

◆  摘  要  ◆ 

乙酰辅酶A是碳代谢的中心节点，在调节和生物合成过程中起着关键作用。乙酰辅酶A合成酶Acs2催化乙酸产生乙酰辅酶A，是丝氨酸响应性含SAM代谢酶（SESAME）复合物的一个组成亚基，但Acs2在SESAME复合物中的确切功能仍不清楚。

作者以芽接酵母为实验材料发现SESAME复合物中的Acs2是调节端粒沉默和细胞衰老所必需的。机制上，SESAME复合物与组蛋白乙酰转移酶SAS蛋白复合物相互作用，促进组蛋白H4K16乙酰化（H4K16ac）富集，并在亚端粒区域占据含溴结构域的蛋白质Bdf1。这种相互作用通过对抗Sir2沿着端粒的传播来维持端粒沉默，而乙酸盐增强了这种传播。因此，乙酸盐使Sir2从端粒中分离，导致端粒沉默受损，并加速时间老化。在人内皮细胞中，ACSS2（酵母Acs2的同源物）也与H4K16乙酰转移酶hMOF相互作用，乙酸盐增加H4K16ac、减少端粒沉默和诱导细胞衰老所需。总之，该研究结果揭示了一种保守的机制，将细胞代谢与端粒沉默和细胞衰老联系起来。

◆  技术路线  ◆ 

◆  研究结果  ◆ 

1、SESAME复合体是维持全基因组H4K16ac水平所必需的。

作者研究了SESAME对组蛋白修饰的影响发现SESAME突变体中的全基因组H3pT11水平显著降低，包括pyk1 ts、sam1∆和ser33∆（图1a）。有趣的是，SESAME突变体中总体H4K16ac显著减少，但其他组蛋白乙酰化没有减少（图1a）。sam1∆和ser33∆突变体的细胞内乙酰辅酶A水平没有显著变化，这意味着Sam1和Ser33调节H4K16ac，而不影响总的乙酰辅酶A水平。

Acs2是SESAME的一个完整亚基，在细胞质和细胞核中由乙酸盐合成乙酰辅酶A（图1b）。为研究Acs2对H4K16ac的影响。作者使用了三种不同的ACS2突变体。结果发现Acs2的失活显著降低了细胞质和细胞核乙酰辅酶A（图1c）。作者还使用了启动子沉默的菌株TetO7-ACS2，发现Dox处理降低了ACS2的表达，并显著降低了全基因组H4K16ac水平（图1d）。

Acs1和乙酰辅酶A水解酶1（Ach1）合成乙酰辅酶A，是在葡萄糖异生条件下合成线粒体乙酰辅酶A所必需的（图1b）。Ach1将CoA部分从酰基CoA转移到乙酸盐以产生乙酰基-CoA25。Acs1或Ach1的缺失对H4K16ac没有显著影响，这表明需要Acs2催化的核细胞溶质乙酰辅酶A合成来维持适当的H4K16ac水平。

2、SESAME复合物是维持端粒区域正常的H4K16ac水平所必需的

ChIP–seq分析表明，大量H4K16ac定位于亚端粒区域。因此，作者通过ChIP数据分析了SESAME对亚端粒H4K16ac的影响，发现这些靶点包括距离第六染色体（TEL VI-R）右侧端粒、第五和第七染色体（TELV和TELVII）端粒约30kb的区域。Acs2突变体亚端粒区域的H4K16ac显著减少（图1e）。sam1Δ突变体中亚端粒H4K16ac的丰度也显著降低（图1f），表明SESAME在亚端粒区域具有通用（或者普适，还没有特别好的词语，但是感觉普遍不太好）功能。

随后，作者研究了SESAME是否直接调节亚端粒H4K16ac。ChIP–qPCR显示Acs2和Sam1都结合在端粒近端区域（图1g）。Acs2的ChIP–seq分析揭示了1328个具有显著Acs2结合的基因，其中690个基因被Pyk1和Sam1共占据。Acs2占据所有端粒附近的区域，并在亚端粒区域与Pyk1和Sam1共定位（图1i）。此外，SESAME显示出与H4K16ac在亚端粒区域共定位（图1i）。这些结果表明，SESAME是维持端粒区域H4K16ac修饰水平所必需的。

图1.SESAME复合体是H4K16ac和H4K16ac在亚端粒区域全局定位所必需的。

3、SESAME复合物与SAS复合物相互作用，以维持亚端粒区域的H4K16ac。

SAS2的缺失显著降低了H4K16ac，Acs2和Sas2对H4K16ac具有协同作用，但对细胞生长没有协同作用（图2a）。共免疫沉淀（Co -IP）表明Acs2与SESAME子基相互作用，Sas2显示与Acs2结合（图2b，c）。Acs2和Sas2之间的结合促使作者研究Acs2对亚端粒区域Sas2结合的影响。尽管Acs2的失活略微降低了Sas2的表达，但在Acs2 ts突变体的亚端粒区域，Sas2的占有率显著增加（图2g）。然而，在acs2 ts突变体中，其他SAS亚基Sas4和Sas5在亚端粒区域的占有率显著降低（图2h，i），这表明acs2的失活可以分解SAS复合物。这些数据表明SESAME促进SAS催化的H4K16ac，不仅通过为Sas2提供乙酰辅酶a的局部来源，而且还保持SAS复合物的完整性。

图2. SESAME复合体与SAS复合体相互作用，促进H4K16ac

4、SESAME复合物和SAS复合物共同调节基因转录和端粒沉默。

为了解SESAME调节的H4K16ac的生物学意义，作者分析了全基因组SESAME和H4K16ac的共定位。大约31.6%的Acs2结合基因和35.1%的Sam1结合基因富含H4K16ac（图3a）。KEGG通路分析显示，这些基因在代谢、长寿调节途径、细胞周期等方面都很丰富。acs2 ts和sam1Δ突变体RNA-seq结果显示Acs2的失活降低了整个基因转录，但Sam1的缺失对整个基因转录没有显著影响。总共有467个基因被Acs2和Sam1共调节。这些共调节基因在核糖体、代谢和寿命调节途径等方面丰富。然后作者对sas2Δ突变体进行了RNA-seq。通过比较sas2Δ、acs2 ts和sam1Δ突变体的转录组发现在这些突变体中，更多的基因被抑制而不是激活。这部分数据表明SESAME与Sas2相互作用以调节H4K16ac和基因表达。

作者使用端粒近端基因探针（包括COS8、IRC7、YCR106W（RDS1）、SOR1和PHO11），通过RT–qPCR证实了RNA-seq分析的结果。Acs2突变体中这些基因的转录显著减少（图3h和扩展数据图3h）。在acs2 ts突变体中，这些基因的H4K16ac富集也显著降低（图3i）。因此，在Sas2Δ和H4K16R突变体中，这些端粒近端基因的转录显著减少（图3j，k）。总之，这些数据表明SESAME与SAS相互作用以调节端粒沉默。

图3. SESAME复合物和Sas2共同调节基因转录和端粒沉默

5．乙酸盐在芽接酵母中通过SESAME复合物和SAS复合物诱导H4K16ac

作者使用不同浓度的乙酸钾（KAc）处理对数期细胞，研究了乙酸盐对组蛋白修饰的影响。结果发现，KAc处理显著诱导了H4K16ac，这种效应不是由于钾的任何副作用（图4c）。添加KAc和氯化钾（KCl）不会改变培养物的pH，表明KAc诱导H4K16ac，与pH变化无关。此外，乙酸钠而非NaCl显著增加了H4K16ac。

ChIP–seq检验了乙酸盐对H4K16ac全基因组占比的影响。乙酸盐显著增加了亚端粒区域（距离最近的端粒0–50kb）的H4K16ac，而对非端粒区域（距最近的端粒>50kb）的H4K16ac几乎没有影响。ChIP–qPCR证实了乙酸盐在亚端粒区域诱导的H4K16ac，表明外源乙酸盐特异性增加了亚端粒H4K16ac。

作者还研究了乙酸盐对Acs2全基因组占有率的影响。发现醋酸盐显著增强了Acs2在染色质上的整体结合（图4k，l）。在亚端粒区域，乙酸盐增加了Acs2和H4K16ac的占有率（图4m）。此外，乙酸盐在WT细胞的亚端粒区域诱导H4K16ac，但不诱导Acs2 ts突变体（图4n），表明SESAME复合物中的Acs2是乙酸盐增加乙酰辅酶A和H4K16ac所必需的。

外源乙酸盐增强了SESAME和Sas2之间的相互作用（图4o），这一点通过CO-IP进一步证实（图4p）。乙酸盐对野生型和Acs2-ts突变体中Sas2亚端粒区域的定位和SAS复合体的完整性没有显著影响。这些数据表明，乙酸盐增强了SESAME和SAS之间的相互作用，并增加了Acs2在染色质上的结合，以诱导H4K16ac（图4q）。

图4.乙酸盐诱导H4K16ac需要SESAME复合物和SAS复合物

6.乙酸盐需要SESAME复合物和SAS复合物来促进Bdf1在亚端粒区域的结合。

作者接下来通过SESAME–SAS识别H4K16ac调节的下游效应器。Bdf1结合端粒乙酰化组蛋白，即H4K16ac，以限制异染色质的扩散。Acs2和Bdf1之间存在遗传相互作用，因为在37°C下，Bdf1ΔAcs2 ts双突变体比ACS2 ts和Bdf1Δ突变体生长缓慢（图5a），并未观察到Acs2和Bdf2之间的遗传相互作用（图5a），这与Bdf2对乙酰化组蛋白没有偏好的观察结果一致。

作者对Bdf1Δ突变体进行了RNA测序来验证Bdf1是否与SESAME–SAS–H4K16ac在相同的途径中起作用（图5b）。通过分析Bdf1Δ突变体中与端粒距离相关的受抑制基因数量发现端粒附近受抑制基因的显著聚集：约50%位于端粒20kb范围内的基因在Bdf1Δ突变株中下调。最重要的是，在Bdf1Δ和Sam1Δ突变体（图5c）、Bdf1Δ与Acs2 ts突变体（图5d）、Bdf2Δ与Sas2Δ突变体（图图5e）以及Bdf1Δ及H4K16R突变体（图5f）中，都存在显著的基因亚家族偏向。作者还使用RT–qPCR证实了Bdf1Δ突变体中端粒近端基因的表达显著减少（图5g）。

由于亚端粒H4K16ac需要Acs2，作者研究了Acs2对亚端粒区域Bdf1结合的影响。尽管Acs2不影响Bdf1的全基因结合，但在Acs2 ts突变体中，亚端粒区域Bdf1的占有率显著降低（图5h），表明Acs2促进亚端粒区域的Bdf1结合。

然后，作者检查了乙酸盐对Bdf1在亚端粒区域结合的影响。乙酸盐显著增加了亚端粒区域Bdf1的占有率（图5j），与乙酸盐诱导的H4K16ac一致。

乙酸盐在WT中显著诱导亚端粒H4K16ac，但在Bdf1Δ突变体中没有（图5k）。这些数据表明，乙酸盐增加了亚端粒区域Bdf1的占有率，这进一步增强了H4K16ac。

图5.乙酸盐增强Bdf1在亚端粒区域的结合

7.SESAME和SAS复合物是醋酸盐调节寿命所必需的。

作者通过RNA-seq以检查乙酸盐对转录组的影响。发现KAc、Sas2、H4K16ac和Bdf1共同调节了相当比例的亚端粒基因。基因集富集分析表明，醋酸盐显著调节参与长寿调节途径的基因的转录，即热休克伴侣蛋白。通过RT–qPCR证实了乙酸盐对这些基因表达的影响。

此外，为确定H4K16ac而不是H3K4me3或H3K56ac在老化过程中减少。作者首先研究了Acs2对时间寿命的影响，时间寿命定义为固定相培养中细胞保持存活的时间。CYCpr-ACS2突变体相对于TEFpr-ACS2具有延长的时间寿命：CYCpr-ACS 2细胞的存活积分为2.88，高于TEFpr-ACS2细胞的生存积分（1.91）。SIR2的缺失显著降低了CYCpr-ACS2的寿命，并消除了ACS2敲除导致的寿命延长，这与它们在调节H4K16ac中的相反作用一致。其他相关数据也表明乙酸盐需要SESAME和SAS来加速老化。这些数据表明，乙酸盐减少了端粒沉默，并调节了长寿相关基因的表达，这可能会加速酵母的时间老化（图6）。

图6 乙酸盐如何调节芽殖酵母端粒沉默和衰老的工作模型

8.乙酸盐诱导人内皮细胞中的H4K16ac和衰老需要ACSS2和hMOF。

作者首先确定了乙酸盐的抗衰老作用在哺乳动物中是否是保守的。然后检测了乙酸盐对原代人静脉内皮细胞（HUVECs）衰老的影响。乙酸盐显著降低HUVECs的生长，并导致G0/G1停滞。乙酸盐显著增加了p16INK4a（p16）和p21的转录，这是已知的衰老生物标志物。通过分析衰老相关的β-半乳糖苷酶（SA-β-gal）染色、DAPI染色观察到的衰老相关异染色质灶（SAHF）形成以及与衰老相关分泌表型相关的促炎细胞因子的表达，证实了乙酸盐对细胞衰老的影响。

然后，作者检测了哺乳动物中Sir2同源物SRIT1的过度表达是否可以减弱乙酸盐对细胞衰老的有害影响。通过构建稳定过表达SIRT1的HUVECs，发现乙酸盐对H4K16ac和SIRT1过表达（SIRT1-OE）细胞的衰老没有显著影响，表明乙酸盐通过ACSS2–hMOF–SIRT1途径诱导H4K16ac和细胞衰老。

为了进一步了解乙酸盐如何调节细胞衰老，作者对KAc处理的HUVECs进行了RNA-seq。共鉴定了639个与细胞衰老有关的基因。在这些衰老相关基因中，分别有54个和89个基因受到ACSS2和乙酸盐的显著调节（图6l）。共有27个基因被ACSS2和乙酸盐共同调节，包括SASP基因和细胞周期相关基因（图8）。由于乙酸盐通过酵母中的Acs2–Sas2–Sir2途径破坏端粒沉默，作者检测了乙酸盐是否调节HUVECs中的端粒沉默。CCDN2、C1S和CDL163L1位于距离染色体12p末端0–10 Mb的位置，用于确定哺乳动物的端粒位置效应。

乙酸盐在对照细胞中诱导了这些基因的转录，但在ACSS2敲低和hMOF敲低细胞中没有诱导。SIRT1的过表达减轻了乙酸盐在端粒沉默中的作用（图6n），表明乙酸盐通过ACSS2–hMOF–SIRT1途径减少了哺乳动物细胞中的端粒沉默。这三个端粒近端基因的转录受端粒长度的调节。因此，作者研究了乙酸盐对端粒长度的影响。醋酸盐显著降低了端粒长度，敲低ACSS2增加了端粒长度。此外，ACSS2的敲除拯救了乙酸盐，降低了端粒长度（图6o），这与它们对端粒沉默和细胞衰老的影响一致。

图7.乙酸盐加速依赖ACSS2和hMoF的HUVEC细胞衰老

爱基小结：作者以芽接酵母为实验材料发现SESAME复合物中的Acs2是调节端粒沉默和细胞衰老所必需的。机制上，SESAME复合物与组蛋白乙酰转移酶SAS蛋白复合物相互作用，促进组蛋白H4K16乙酰化（H4K16ac）富集，并在亚端粒区域占据含溴结构域的蛋白质Bdf1。这种相互作用通过对抗Sir2沿着端粒的传播来维持端粒沉默，而乙酸盐增强了这种传播。因此，乙酸盐使Sir2从端粒中分离，导致端粒沉默受损，并加速时间老化。在人内皮细胞中，ACSS2（酵母Acs2的同源物）也与H4K16乙酰转移酶hMOF相互作用，乙酸盐增加H4K16ac、减少端粒沉默和诱导细胞衰老所需。总之，作者的结果揭示了一种保守的机制，将细胞代谢与端粒沉默和细胞衰老联系起来。

爱基百客提供领先的表观组学技术，组蛋白修饰研究拥有丰富的项目经验，旗下王牌产品ChIP拥有如下优势：

• 研究物种200+种，累计实验2000余次；

• 提供从实验设计、测序以及后期分析一站式服务；

• 强大的生信团队，满足客户各种数据挖掘及分析需求。

• 丰富的表观产品线，便于开展多组学。

做ChIP选爱基！有相关研究需求的老师欢迎联系我们的销售工程师~