染色质松弛是DNA修复机制进入双链断裂(DSBs)的先决条件。然后，DSBs周围的局部组蛋白发生乙酰化状态的迅速变化，但如何满足乙酰辅酶A的大量需求尚不清楚。

　　2023年9月21日，深圳大学朱卫国团队在Nature Structural & Molecular Biology 在线发表题为“PARylated PDHE1α generates acetyl-CoA for local chromatin acetylation and DNA damage repair”的研究论文，该研究报道了丙酮酸脱氢酶1α (PDHE1α)催化丙酮酸代谢，能够在DNA损伤反应中迅速提供乙酰辅酶A。

　　该研究发现PDHE1α以多ADP-核糖基化依赖的方式快速募集到染色质上，这驱动乙酰辅酶A的生成，以支持DSBs周围的局部染色质乙酰化。这一过程增加了松弛染色质的形成，以促进修复因子负载、基因组稳定性和癌细胞对体外和体内DNA损伤治疗的抵抗力。事实上，研究证明阻断基于聚-ADP-核糖基化的PDHE1α染色质募集会减弱染色质松弛和DSB修复效率，导致基因组不稳定和恢复放射敏感性。这些发现支持染色质相关的PDHE1α局部产生乙酰辅酶A的机制，以重塑DSBs附近的染色质环境并促进其修复。

　　准确修复受损DNA是维持正常细胞功能的基础。在由各种因素引起的多种形式的DNA损伤中，DSBs被认为是最致命的一种。为了维持DSB后基因组的稳定性，两种基因上可分离的DSB修复途径可以随之而来：同源重组(HR)和经典非同源末端连接(NHEJ)。这两种修复途径对于DNA损伤反应(DDR)系统和维持基因组稳定性都是不可或缺的。

　　染色质结构对DDR的影响最初是在“通路-修复-恢复”模型中描述的。“进入”步骤是一个早期事件，通常发生在DNA损伤后的几秒到几分钟内，因此被认为是创造可进入的染色质结构必不可少的。在最初的DSB修复步骤中，有三种广泛的基于染色质的事件：通过核心组蛋白的乙酰化在DSB周围形成开放的染色质结构;染色质在DNA的缩合异染色质区域中弛豫;以及染色质的快速聚ADP-核糖基化(PARylization)以促进染色质重塑因子负载。在这些事件中，染色质乙酰化是通过中和赖氨酸残基上的正电荷介导高效和有效的DNA修复的通路过程中不可或缺的一部分。这一过程通过允许修复机制进入DSBs进一步提高DNA损伤修复效率。尽管染色质乙酰化在响应DNA损伤产生可接近的染色质中起着至关重要的作用，但这些事件和乙酰供体在这种短暂时期产生的调节机制尚不清楚。

　　乙酰化修饰对乙酰基供体acetyl-CoA的可用性敏感。在哺乳动物细胞中，有三种不同但相互作用的途径有助于乙酰辅酶A的生物合成。在这些途径中，ATP-柠檬酸裂解酶(ACLY)利用柠檬酸，乙酰辅酶A合成酶(ACSS)利用乙酸作为资源生成乙酰辅酶A。然而，PDHE1α使用葡萄糖衍生的丙酮酸，这是哺乳动物细胞中非常丰富的必需“燃料”。由于乙酰基通过高能硫酯键与辅酶A基团相连，这决定了乙酰基辅酶A的不稳定性和弱膜渗透性，因此它被认为是在亚细胞区室内时空合成的。利用遗传方法影响线粒体功能障碍，从而进一步降低细胞中线粒体柠檬酸水平，研究人员发现，乙酰辅酶A和赖氨酸乙酰化蛋白的丰度在细胞核外急剧下降，但核蛋白乙酰化没有明显变化，这表明存在额外的、线粒体独立的乙酰化供体用于蛋白质乙酰化。

　　PDHE1α在DDR中作用的工作模式(图源自Nature Structural & Molecular Biology )

　　代谢酶的核积累代表了“兼职功能”，允许细胞在内源性和外源性应激条件下与核蛋白和DNA进行通信。先前的研究表明，控制乙酰辅酶A生成的酶存在于细胞核中：ACSS2可以转运到细胞核中调节自噬或细胞衰老。同样，当细胞遭受DNA损伤时，ACLY分布到细胞核，促进H4K16乙酰化并调节DSB修复。丙酮酸脱氢酶复合体(pyruvate dehydrogenase complex, PDC)也被发现通过调节H3赖氨酸9乙酰化在癌细胞的发生和发展过程中发挥关键作用。虽然乙酰辅酶A生成酶的核驻留表明乙酰辅酶A生成在细胞核中起重要作用，但似乎不同的酶对不同类型的刺激可能敏感和反应。因此，精确调节这些酶的时空功能及其合作和补偿能力对于确保乙酰辅酶A在正确的时间和地点产生以响应不同的刺激至关重要。

　　PARylation是最常见的翻译后修饰之一。该事件由ADP-核糖基转移酶催化，在染色质重组和DDR中具有重要的生物学作用。在DNA损伤的反应中，PARP1被激活，与其底物形成聚(ADP-核糖)(PAR)聚合物链，这是DSB修复因子募集的先决条件，有利于癌症治疗。然而，围绕这一过程仍有许多未知因素，包括参与染色质调控的下游PARylation靶点及其调控机制。

　　总之，关于乙酰辅酶A代谢时空调控的研究结果揭示了染色质相关的PDHE1α在促进DDR和维持基因组完整性方面的意想不到的作用，这表明PDHE1α在癌症放疗/化疗的临床研究中具有相关性。该发现为进一步研究局部代谢物在表观遗传调控中的作用以及PDHE1α-靶向治疗的发展提供了动力，以调节癌症代谢，最重要的是，破坏癌细胞抵抗基因毒性损伤的关键机制。

　　(来源：iNature)

　　原文出处：Zhang J, Chen F, Tian Y, Xu W, Zhu Q, Li Z, Qiu L, Lu X, Peng B, Liu X, Gan H, Liu B, Xu X, Zhu WG. PARylated PDHE1α generates acetyl-CoA for local chromatin acetylation and DNA damage repair. Nat Struct Mol Biol. 2023 Sep 21. doi: 10.1038/s41594-023-01107-3. Epub ahead of print. PMID: 37735618.

　　链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37735618/