組蛋白的甲基化狀態(tài)影響染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)。組蛋白去甲基化酶活性影響這些調(diào)節(jié)甲基化標(biāo)記的分布。研究人員發(fā)現(xiàn)一種稱為α-酮戊二酸脫氫酶（KGDH）的酶結(jié)合并抑制組蛋白去甲基化酶的活性。KGDH通常與線粒體中的呼吸三羧酸循環(huán)有關(guān)，但其底物α-酮戊二酸也是組蛋白去甲基化酶活性所必需的。KGDH酶進入擬南芥細(xì)胞的細(xì)胞核，可以直接與組蛋白去甲基化酶和染色質(zhì)相互作用。結(jié)果，組蛋白去甲基化和基因表達(dá)都被KGDH改變，為KGDH提供了呼吸代謝以外的替代作用。
研究背景
核小體組蛋白的甲基化在調(diào)節(jié)真核轉(zhuǎn)錄和其他基于染色質(zhì)的過程中發(fā)揮基本作用。包含Jumonji C結(jié)構(gòu)域的組蛋白去甲基化酶(JMJs)存在于包括動物、植物和真菌在內(nèi)的大多數(shù)真核生物中，可動態(tài)控制組蛋白甲基化。因此，JMJs在調(diào)節(jié)基因表達(dá)方面起著普遍的作用。JMJs是α-酮戊二酸(α-KG)/鐵(II)依賴的雙加氧酶，利用共底物α-KG和氧通過氧化從賴氨酸殘基中去除甲基。
在植物和/或動物中，某些JMJs的組蛋白去甲基化活性受到多種機制的調(diào)節(jié)，包括一些JMJs的翻譯后修飾，以及一些JMJs相關(guān)蛋白、代謝物和共底物氧的調(diào)節(jié)。目前尚不清楚其他代謝α-KG的酶如何調(diào)節(jié)核JMJ活性。
實驗過程
研究人員構(gòu)建了幾個α-酮戊二酸脫氫酶(KGDH)功能缺失的擬南芥突變體，發(fā)現(xiàn)KGDH不僅在控制細(xì)胞內(nèi)的α-KG總量、TCA循環(huán)通量和細(xì)胞呼吸中起主要作用，而且還調(diào)節(jié)生長發(fā)育的各個方面。KGDH缺陷的突變體表現(xiàn)出強效抗氧化劑花青素的積累，向開花的發(fā)育過渡的顯著延遲，以及梢發(fā)育的減緩。接下來，通過共聚焦熒光成像，發(fā)現(xiàn)一小部分KGDH進入細(xì)胞核。這一過程受光照調(diào)節(jié)。隨后誘變了KGDH亞基E2的核定位信號，發(fā)現(xiàn)線粒體定位的KGDH不能挽救E2突變體中的生長和發(fā)育異常。
對各種組蛋白甲基化標(biāo)記的生化測定表明，細(xì)胞核KGDH似乎抑制了整體組蛋白去甲基化。研究團隊假設(shè)KGDH可能與JMJs偶聯(lián)來調(diào)節(jié)組蛋白甲基化。事實上，進一步的蛋白-蛋白相互作用實驗表明，核內(nèi)KGDH直接與多種jmj相互作用，包括組蛋白3賴氨酸4、組蛋白3賴氨酸9和組蛋白3賴氨酸27的去甲基化酶。
研究人員利用RNA測序和染色質(zhì)免疫共沉淀結(jié)合DNA測序，探索了核KGDH在控制擬南芥全基因組組蛋白甲基化和基因表達(dá)中的功能。KGDH在基因組中占據(jù)數(shù)千個位點，與組蛋白甲基化區(qū)域相關(guān)。轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析顯示，在KGDHs缺陷的突變體中，數(shù)千個基因發(fā)生了錯誤調(diào)節(jié)，尤其是環(huán)境應(yīng)答基因。生化分析發(fā)現(xiàn)核KGDH催化α-KG的氧化脫羧，從而降低與KGDH偶聯(lián)的JMJs對α-KG的局部利用率。減少α-KG導(dǎo)致JMJs抑制組蛋白去甲基化。
進一步設(shè)計一個KGDH亞基以增強其核靶向性，這導(dǎo)致JMJs進一步抑制組蛋白去甲基化。此外，還發(fā)現(xiàn)核內(nèi)KGDH-JMJ組合可以激活或抑制靶基因的表達(dá)，這依賴于局部組蛋白甲基化標(biāo)記的讀出。
通過蛋白質(zhì)相互作用實驗，發(fā)現(xiàn)了來自人類和小鼠的一個KGDH亞基的羧基末端區(qū)域與哺乳動物JMJs發(fā)生了相互作用。因此，在哺乳動物細(xì)胞和其他真核生物中，與JMJs的KGDH關(guān)聯(lián)是保守的。
這項研究表明除了在植物中，KGDH可能與JMJs一起在哺乳動物中發(fā)揮作用，控制組蛋白去甲基化和基因表達(dá)。

在植物中，光通過JMJs促進TCA循環(huán)相關(guān)酶KGDH的核靶向來調(diào)節(jié)組蛋白去甲基化
原文：
Methylations on nucleosomal histones play fundamental roles in regulating eukaryotic transcription. Jumonji C domain–containing histone demethylases (JMJs) dynamically control the level of histone methylations. However, how JMJ activity is generally regulated is unknown. We found that the tricarboxylic acid cycle–associated enzyme α-ketoglutarate (α-KG) dehydrogenase (KGDH) entered the nucleus, where it interacted with various JMJs to regulate α-KG–dependent histone demethylations by JMJs, and thus controlled genome-wide gene expression in plants. We show that nuclear targeting is regulated by environmental signals and that KGDH is enriched at thousands of loci in Arabidopsis thaliana. Chromatin-bound KGDH catalyzes α-KG decarboxylation and thus may limit its local availability to KGDH-coupled JMJs, inhibiting histone demethylation. Thus, our results uncover a regulatory mechanism for histone demethylations by JMJs.