北京大学基础医学院、北京大学国际癌症研究院张宏权教授领导的研究团队于2021年首次在国际上发现并鉴定出组蛋白赖氨酸异烟酰化修饰（lysine isonicotinylation，Kinic）—这一全新的核心组蛋白翻译后修饰类型，并发现该修饰可被抗结核病一线药物异烟肼（Isoniazid，INH）所诱导（Nature Communications，2021）。该研究表明，组蛋白发生Kinic后可以在赖氨酸上加上吡啶环结构，这种修饰调节染色质可接近性，促进部分促癌基因如PI3KR1的表达，激活PAM信号通路，从而进一步影响肝癌的发生发展。其中，CBP/p300作为组蛋白异烟酰化转移酶，而HDAC3作为组蛋白去异烟酰化酶在组蛋白发生Kinic过程中起关键作用。Kinic作为细胞内组蛋白上的一种高度保守的翻译后修饰类型，存在于从低等生物到高等哺乳类。但是，该修饰是否也发生在非组蛋白上的赖氨酸上并发挥生物学功能，之前尚不清楚。因此，探究细胞内整体的Kinic修饰谱特别是非组蛋白发生Kinic后对其功能的影响，对于深入理解Kinic修饰在正常生理功能和疾病发生发展中的作用至关重要。

近日，张宏权教授研究团队在Cell 旗下的综合子刊iScience上在线发表了题为“Global isonicotinylome analysis identified SMAD3 isonicotinylation promotes liver cancer cell epithelial–mesenchymal transition and invasion”的研究论文。该研究通过蛋白质组学技术，首次在哺乳动物细胞中的2792个蛋白质中鉴定出11442个赖氨酸Kinic修饰位点，分析表明这些发生了Kinic修饰的蛋白质广泛参与到细胞多种信号通路与代谢过程中。作为例证，该研究团队进一步以被Kinic修饰的TGF-b信号通路中的重要成员SMAD3为例研究了Kinic修饰与蛋白功能之间关系，发现催化SMAD3发生Kinic修饰的异烟酰化转移酶（Witer）为Tip60，也发现了SMAD3的去异烟酰化酶（Eraser）为HDAC8，更为重要的是研究人员还发现SMAD3的K378位点发生Kinic修饰后对于激活TGF-β信号通路，促进肝癌细胞的上皮间质转化和侵袭至关重要。

研究人员首先利用定制的异烟酰化抗体，对抗结核药物INH处理过的细胞进行了蛋白质组学检测，鉴定到2792个蛋白上的11442个赖氨酸位点可以发生异烟酰化修饰（图1A-C）。进一步对这些可以发生Kinic修饰的蛋白进行了相关功能富集，结果表明这些能够发现Kinic修饰的非组蛋白在不同的细胞过程以及信号通路中起关键作用，如：三羧酸循环、DNA损伤修复以及脂肪酸氧化分解等。之后，研究人员分别对不同信号通路中所鉴定到的蛋白，进行了Kinic修饰的验证得到与异烟酰化组学结果相符的结论。

图1. 细胞整体异烟酰化修饰谱鉴定

为了进一步对非组蛋白Kinic进行探讨，研究人员以在DNA损伤修复中的关键蛋白PARP1以及TGFβ信号通路中的关键蛋白SMAD3为例进行深入研究，通过免疫共沉淀、免疫荧光以及siRNA敲减等实验，鉴定到CBP和HDAC6可以分别作为异烟酰转移酶和去异烟酰化酶调控PARP1蛋白Kinic的发生，而Tip60和HDAC8作为了SMAD3的异烟酰化转移酶和去异烟酰化酶调控其Kinic的水平（图2）。这也提示非组蛋白的调控与此前所发现的组蛋白Kinic具有不同的Writers和Erasers。

在功能关联性方面，研究人员发现SMAD3的第378位赖氨酸发生Kinic后，并不会影响SMAD3蛋白的稳定性，但发现SMAD3发生Kinic后有利于促进SMAD3/TGF-β信号通路下游相关基因的表达，并促进肝癌细胞的上皮间质转化和侵袭能力。在机制上，当SMAD3发生Kinic修饰后促进其发生磷酸化，而磷酸化后的SMAD3更容易形成复合物进入细胞核，进而参与到对下游基因表达的调控，具体表现为促进间质标志物基因（例如：N-cadherin，SLUG）的表达，降低上皮样标志物基因（如：E-cadherin）的表达（图3）。

图2.异烟酰化修饰书写酶和擦除酶的鉴定

该研究开启了蛋白质酰基化修饰的一个全新的研究领域，填补了Kinic修饰在非组蛋白部分的空白。同时将非组蛋白Kinic与肿瘤细胞的运动、迁移和转移联系起来，丰富了在蛋白质组学水平上对PTM调节蛋白质功能的新认识。

北京大学基础医学院、北京大学国际癌症研究院张宏权教授为该论文的通讯作者，北京大学基础医学院博士研究生李义晓和博新博士后蒋瑀涵为本文的共同第一作者，该研究得到科技部重点研发专项、国家自然科学基金重点和面上项目、国家博士后面上基金以及博士后创新人才支持计划，北京大学“双一流国际顶尖学科”建设项目的资助。

图3. SMAD3异烟酰化修饰促进肝癌细胞上皮间质转化的模式图

原文链接：https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(24)02000-5