供稿：岗方印，武汉大学
校稿：赵晨茜，武汉大学
推送：赵晨茜，武汉大学
今天给大家分享的文献发表在Science上，标题为Formaldehyde regulates S-adenosylmethionine biosynthesis and one-carbon metabolism，通讯作者为美国加州大学伯克利分校的Christopher J. Chang教授。
单碳代谢是细胞代谢的重要分支之一，经过单碳循环，单碳单元被用于核苷酸、氨基酸的生物合成以及表观遗传调控。其中一碳单元，S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosylmethionine, SAM），是一种普遍存在的共底物和关键的甲基供体。甲基转运反应是一碳代谢和表观遗传过程的基础，能够调节mTORC1信号以感知甲硫氨酸和细胞生长。SAM生物合成与代谢失调与许多疾病相关，如非酒精脂肪肝及癌症。此研究揭示了甲醛（FA）特异性地与SAM生物合成途径中的S-腺苷甲硫氨酸转移酶异构体1型（S-adenosylmethionine synthase isoform type-1, MAT1A）共价结合，从而抑制SAM的合成。而且这种调控对FA具有剂量依赖性。
体外实验发现FA能与多肽上的半胱氨酸残基（Cys）发生反应，并形成半硫醛和噻唑烷加合物，以及相关的活性亲电物质。基于此，作者采用高通量蛋白质组方法，鉴定出FA敏感的靶点。使用半胱氨酸反应性碘乙酰胺-炔基（IA-alkyne）探针对经500 μM（接近疾病浓度）FA处理及对照组的小鼠肝脏裂解物进行分析。随后使用点击化学进行富集，并用液相-串联质谱（LC-MS/MS）确定轻/重修饰多肽的量化比例（图1A）。随后，利用同位素串联正交蛋白水解-活性蛋白质分析（isoTOP-ABPP）识别整个蛋白质组中可被FA修饰的半胱氨酸位点，并选取定量Ratio大于3的位点归并为FA敏感位点（图1B），从而鉴定到SAM生物合成的关键酶MAT1A的3个特异性半胱氨酸对FA有高反应性（Cys105、Cys121和Cys150）。KEGG结果同样证实了FA与已知的调节甲基单元和单碳循环的酶结合具有特异性，其中MAT1A是SAM生物合成中的一种关键酶，可调节转甲基化反应的通量（图1C）。
图1 通过isoTOP-ABPP识别蛋白质组中FA敏感的半胱氨酸位点
随后，作者通过质谱鉴定法确定人类MAT1A上被FA修饰的位点。结果显示，FA与Cys以外的亲核氨基酸残基的反应有限（图2A），体外过量的FA只修饰了3个具有高反应性和高选择性的半胱氨酸残基（人Cys104、Cys120和Cys149类似于小鼠Cys105、Cys121和Cys150）以及第4种可溶性半胱氨酸残基（人Cys376）（图2B-E）。MAT1A的晶体结构分析表明，Cys120最接近MAT1A的活性位点，推测该残基是FA反应活性的功能位点（图2F）。
图2 FA在MAT1A上形成位点特异性共价半胱氨酸修饰
为了表征FA修饰的Cys位点对MAT1A的生化作用，以确定FA在SAM生物合成中的作用，作者研究了FA对MAT1A和MAT2A亚型活性的影响。首先，通过比率荧光法测量HepG2细胞中的基础FA水平以确定FA浓度的生理范围（图3A）。结果显示，MAT1A酶活性在100 μM FA时下降44%，500 μM FA下降60%，相比之下，MAT2A在100和500 μM FA中仍具有催化活性，说明FA选择性地抑制MAT1A活性（图3B）。接下来，分析了低FA浓度下MAT1A的活性，10 μM FA足以使表观催化速率常数（kcat）降低22%，25和100 μM FA处理进一步使kcat降低59%、88%，表明FA对MAT1A的抑制主要是由kcat驱动（图3C）。
图3 FA以剂量和同型依赖的方式抑制纯化蛋白在Cys120位点上SAM的MAT1A生物合成，降低细胞中SAM的水平
由于FA相关的疾病是由慢性暴露引起的，作者通过体内实验进一步探索FA和SAM之间的生理关系及其对下游甲基化途径的影响（图4A）。作者构建了Adh5-/-双敲除小鼠（ADH5，乙醇脱氢酶是细胞内清除FA毒性的关键酶），慢性甲醛处理WT和Adh5-/-小鼠，发现体内SAM含量有显著的差异（图4B），尤其是组蛋白H3K4和K79的甲基化修饰（图4E）。但二者体内的整体核酸甲基化水平（5mC和m6A）无明显区别（图4C-D），部分组蛋白甲基化也没有发生显著变化（图4F）。基于此，作者推测，FA的单碳代谢通路具有优先级和区室化性质，且可能存在代偿性通路维持FA毒性环境下整体甲基化水平。
图4 慢性FA处理的遗传小鼠模型降低了组蛋白甲基化
受到慢性肝应激中MAT1A状态的启发，作者检测了FA水平升高对MAT1A表达水平的影响。FA处理Adh5-/-双敲除小鼠后，WB和RT-qPCR定量结果都显示MAT1A的表达量升高（图5B-C），发现是MAT1A的启动子部分甲基化水平下降所致（图5D-E）。这些结果表明，FA过量后的SAM缺乏是由MAT1A活性以同工酶特异性的方式调控，DNA低甲基化是潜在的代偿机制之一，可提高MAT1A的表达，从而维持SAM水平以应对这种缺乏（图5A）。
在长期FA处理下，HepG2细胞中的SAM处理会导致不同的DNA CpG位点低甲基化和高甲基化。与对照组相比，Adh5-/-的CpG位点出现低甲基化和高甲基化趋势（图5G）。通路分析发现，大多数出现甲基化降低或增加的基因都参与了代谢途径，表明FA可能通过选择性改变CpG甲基化水平来驱动代谢重编程（图5H-I）。FA处理组的细胞荧光素酶活性增加，说明FA通过调控MAT1A启动子来启动MAT1A表达（图5J-K）。因为MAT1A启动子低甲基化的变化是适度的，并且不能完全的解释FA暴露后MAT1A表达的代偿性增加，所以作者探索了其他潜在的调节机制。在Adh5-/-小鼠慢性FA升高模型中观察到的HNF4α、C/EBPα和C/EBPβ表达的增加证实了它们参与了FA-SAM依赖性MAT1A表达调控（图5L-M）。
图5 慢性FA升高通过降低启动子甲基化诱导MAT1A表达代偿性增加
综上所述，此研究揭示了FA作为一种重要的化学分子，可以调节单碳单元的生物合成和代谢。FA通过与SAM合成途径的末端酶的半胱氨酸残基进行特异性的共价结合并抑制其活性，影响SAM生物合成，其活性的抑制对各种生物大分子的甲基化水平进行影响，从而影响了下游的转录调节。其中FA依赖性SAM缺陷分别通过FA依赖性转录因子和DNA启动子低甲基化调节的遗传和表观遗传机制导致MAT1A表达增加。
文章编号：413
原文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abp9201
原文引用：
Vanha N. Pham#, Kevin J. Bruemmer#, Joel D. W. Toh, Eva J. Ge, Logan Tenney, Carl C. Ward, Felix A. Dingler, Christopher L. Millington, Carlos A. Garcia-Prieto, Mia C. Pulos-Holmes, Nicholas T. Ingolia, Lucas B. Pontel, Manel Esteller, Ketan J. Patel, Daniel K. Nomura, Christopher J. Chang*. Formaldehyde regulates S-adenosylmethionine biosynthesis and one-carbon metabolism. Science, 2023, 382, eabp9201.（#为共同第一作者）
