血清素竟然也调控基因表达？

血清素（serotonin），又名五羟色胺（5-HT）是一种重要的神经递质，负责在大脑神经元之间传递信号，并且参与调节情绪。不过，中美两国的科学家近日发现，血清素也以意想不到的方式调控神经元中的基因表达。

美国西奈山伊坎医学院的Ian Maze领导了这项研究。清华大学医学院的李海涛课题组、普林斯顿大学等机构的研究人员也参与了研究。这项成果于3月份发表在《Nature》杂志上，有助于人们更好地了解各种脑部疾病，包括情绪失调、药物滥用/成瘾和神经退行性疾病。

这项研究围绕着DNA以及它如何形成每个人的遗传图谱展开。众所周知，DNA缠绕在组蛋白的周围，形成核小体。当编码特定基因的DNA紧密缠绕时，这个基因不大可能表达。相反，松散缠绕的基因更有可能表达。不过，血清素对此过程有何影响呢？

血清素化位点的鉴定

之前的研究表明，血清素通过转谷氨酰胺酶2（TGM2）的转酰胺作用与胞质蛋白形成共价键。为此，研究人员探索了核蛋白是否也有类似的修饰。首先，他们研究组蛋白是否能作为血清素化（serotonylation）的内源性底物。通过Western blotting和重组TGM2酶分析，他们确认组蛋白H3是血清素化的内源性底物。

之后，研究人员利用5-HT开展体外TGM2分析，接着进行靶向液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）分析，鉴定H3上的血清素化位点。结果表明，血清素化发生在组蛋白H3上的第5位谷氨酰胺（Q5ser）。当谷氨酰胺突变成丙氨酸时，TGM2的转酰胺基活性丧失。

考虑到Q5ser与Lys4相邻，研究人员接着分析了K4me3对TGM2介导的单酰胺化的潜在影响。他们对未修饰核小体或H3K4me3核小体进行TGM2分析，发现K4me3对单酰胺化修饰无影响。同样地，Q5ser的存在对MLL1（H3K4甲基转移酶）体外修饰核小体的能力也没有影响。于是，他们对H3K4me3Q5ser这种组合开始感兴趣。

研究人员制备了单修饰（H3Q5ser）和双修饰（H3K4me3Q5ser）的特异性抗体。他们以含血清素细胞系（RN46A-B14细胞）和成年小鼠的大脑为研究对象，在免疫沉淀后开展LC-MS/MS分析，证实了这些标记存在于哺乳动物细胞和组织中。不过，大脑中仅鉴定出双重修饰，故后续研究集中在H3K4me3Q5ser。

他们接着研究了H3K4me3Q5ser在哺乳动物组织中的分布。他们发现，这种标记广泛表达，但主要集中在产生5-HT的器官（比如大脑和结肠）。同时，心脏、外周血单核细胞和睾wan中也观察到稳定的信号。

血清素化调控基因表达

之后，研究人员检测了人多能干细胞来源的5-HT神经元在分化前后的H3K4me3Q5ser表达。他们发现，分化导致H3K4me3Q5ser水平显著增加，同时伴随着H3K4me3的变化（图1）。染色质免疫沉淀的结果表明，H3K4me3Q5ser峰的总数也随着分化而明显增加。

图1. H3K4me3Q5ser对人5-HT神经元的分化有反应

小鼠大脑在胚胎发育过程中也呈现出一致的结果。与5-HT神经元的结果相似，在发育期间激活的神经元基因表现出H3K4me3和H3K4me3Q5ser的显著增加，而表达水平维持不变的其他基因则未表现出明显的标记变化。

为了评估Q5ser在这些过程中的作用，研究人员又使用了RN46A-B14细胞培养模型。这些细胞能够在体外分化以增加5-HT的产生，诱导细胞周期停滞，并促进神经突向外生长的表型。与5-HT神经元和小鼠大脑的数据一致，他们发现RN46A-B14细胞分化导致H3K4me3Q5ser水平的显著增加。由此推断，H3K4me3Q5ser可能对基因表达有贡献。

接下来，研究人员直接验证了H3K4me3Q5ser在基因表达中的作用。他们制备了表达野生型H3.3或突变体H3.3（Q5A）的慢病毒，这个突变阻止了血清素化，但不影响H3第4位赖氨酸的三甲基化能力，并将其转导到分化的RN46A-B14细胞。数据表明，与内源性H3K4me3Q5ser表达的竞争改变了靶基因的水平，对非靶位点几乎没有影响。在此期间，他们采用了赛业生物（Cyagen Biosciences）的慢病毒包装服务。

在进一步探究H3K4me3Q5ser的作用机制时，研究人员以H3K4me3结合蛋白为对象，评估了Q5ser与K4me3组合的存在是否影响这些结合事件。他们发现，结合增强的是转录因子复合物TFIID的15个成员。随后的免疫沉淀和western blotting分析证实了TFIID与H3K4me3之间的相互作用得以增强（图2）。这意味着，血清素化让部分DNA变得松散，从而增强了基因表达。

 图2. H3K4me3Q5ser增强了TFIID与H3K4me3的相互作用

作者表示，H3Q5的血清素化代表了组蛋白上第一个内源性的单酰胺化修饰，也代表了组蛋白谷氨酰胺残基上第一个非甲基化翻译后修饰。关于组蛋白血清素化的体内功能，还有许多问题待研究。比如，血清素对基因表达的调控是否也在情绪调节中发挥作用？这些新知识是否有助于开发更好的药物来治疗抑郁症或情绪失调？