《Nature Communications》：Pathophysiological significance of impaired KAT7-dependent histone H3K14 acetylation during zinc deficiency
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本刊推荐：为揭示锌缺乏致病的分子机制，研究人员聚焦于锌对组蛋白修饰的调控作用，发现锌缺乏会失活组蛋白乙酰转移酶KAT7，导致增强子区域H3K14ac水平下降，进而上调锌转运蛋白ZIP10表达以维持锌稳态；在肝脏中，该表观遗传变化会促进脂滴合成相关基因表达，诱发肝脂质积累。该研究阐明了锌缺乏如何转化为表观遗传信号驱动生理与病理过程，为相关疾病干预提供了新靶点。
锌是维持人体众多蛋白质结构和功能不可或缺的微量营养素，锌缺乏与多种人类疾病的发生发展密切相关。然而，锌缺乏究竟通过何种具体分子机制影响基因表达，从而诱发病理改变，一直是悬而未决的关键科学问题。既往研究提示，锌缺乏可能通过改变基因表达来发挥作用，但详细过程仍 largely unexplored（很大程度上未被探索）。特别是，锌作为许多表观遗传修饰酶（如组蛋白乙酰转移酶）的辅因子，其在锌缺乏状态下如何影响染色质修饰并调控下游基因表达，进而影响细胞乃至机体生理病理过程，是领域内亟待阐明的空白。
为了回答这些问题，研究人员在《Nature Communications》上发表了一项系统性研究。他们发现，在锌缺乏条件下，组蛋白乙酰转移酶KAT7（KAT7）会因其MYST结构域中锌指结构的锌配位丧失而失去酶活性，从而导致组蛋白H3第14位赖氨酸乙酰化（H3K14ac）在增强子区域的水平显著降低。这一表观遗传变化并非偶然，而是细胞将锌缺乏压力转化为表观遗传信号的关键环节。在细胞层面，H3K14ac的减少会上调位于质膜的锌转运蛋白ZIP10的表达，促进细胞外锌的摄取，从而帮助细胞维持锌稳态。而在机体层面，小鼠长期锌缺乏（通过低锌饮食或高脂饮食诱导）会导致肝脏中H3K14ac水平下降，进而上调与细胞内脂滴形成相关的基因表达，最终导致肝组织内脂质积累。该研究首次揭示了细胞通过KAT7-H3K14ac轴将锌缺乏信号转化为表观遗传指令，从而驱动适应性与病理性生物学过程的完整机制。
为开展此项研究，作者综合运用了多种关键技术方法：利用锌螯合剂TPEN和经Chelex-100树脂处理的培养基在多种细胞系（如HEK293A、HeLa细胞）及小鼠原代肝细胞中建立锌缺乏模型；通过小干扰RNA（siRNA）文库筛选和CRISPR-Cas9基因编辑技术鉴定关键因子；采用免疫共沉淀结合体外组蛋白乙酰转移酶（HAT）活性测定、染色质免疫共沉淀测序（ChIP-seq）和RNA测序（RNA-seq）解析分子机制与全基因组变化；利用特异性抑制剂（如KAT7抑制剂WM-3835、组蛋白去乙酰化酶抑制剂TSA）进行功能验证；在小鼠模型中，通过喂食低锌饮食或高脂饮食，结合肝脏组织学染色、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）分析锌含量、以及体内药理学干预等手段，验证表观遗传变化与肝脏表型（脂质积累）的因果关系；并通过对公共临床数据集的荟萃分析，将小鼠研究发现与人类疾病（如非酒精性脂肪肝病）相关联。
研究结果
锌缺乏导致组蛋白H3K14ac全局性降低
研究人员系统筛查发现，锌缺乏选择性地降低了组蛋白H3K14ac的水平，而其他多种组蛋白修饰未受影响。这一现象在多种细胞类型和培养基锌缺乏条件下均可重现，且可被锌补充所逆转，表明锌可逆地调控H3K14ac。
HDACs（组蛋白去乙酰化酶）在锌缺乏时去乙酰化H3K14ac
机制探究发现，经典的HDAC家族（而非sirtuin家族）成员参与了锌缺乏诱导的H3K14ac去乙酰化过程。然而，敲低单个或多个HDACs（如HDAC1和HDAC6）或使用亚型特异性抑制剂并不能阻止H3K14ac的降低，且锌缺乏并未直接增强HDACs的体外酶活，提示HDACs是执行者而非直接受锌缺乏调控的靶点。
锌缺乏导致KAT7活性丧失
通过siRNA筛选，研究人员确定KAT7是负责H3K14ac的关键组蛋白乙酰转移酶。锌缺乏并不显著影响KAT7的蛋白水平、亚细胞定位或其与已知复合体成员（如BRPF2、MEAF6）的结合，但会直接导致免疫沉淀得到的KAT7其HAT活性大幅下降，类似于其酶活死亡突变体（EQ突变体）的效果。
KAT7 MYST结构域中的锌配位调控其HAT活性
KAT7在其MYST型HAT结构域内含有一个锌指结构。突变该锌指结构中的关键锌配位氨基酸（如C371A）会破坏重组蛋白的锌结合能力，并使其完全丧失HAT活性。重要的是，从锌缺乏细胞中免疫沉淀得到的KAT7，其酶活可通过体外添加锌而部分恢复，但同样位点的突变体（C371A）则无法恢复，证明锌缺乏通过破坏KAT7 MYST结构域的锌配位而使其失活。
H3K14ac缺失通过增强子诱导ZIP10表达以维持细胞锌稳态
ChIP-seq分析显示，锌缺乏主要降低了增强子区域的H3K14ac信号。其中，质膜锌转运蛋白ZIP10基因的增强子区域H3K14ac显著下降，伴随其mRNA和膜蛋白表达上调。该上调可被补充锌或HDAC抑制剂TSA所抑制。功能上，ZIP10的上调促进了细胞在锌缺乏后补充锌时的锌离子内流，并对于细胞周期重新进入至关重要。敲低ZIP10会损害锌内流和H3K14ac水平的恢复。
锌缺乏促进肝脏脂质积累
动物实验发现，喂食低锌饮食或高脂饮食的小鼠，其肝脏锌含量和H3K14ac水平均下降，并伴有明显的肝脂质积累和甘油三酯水平升高。补充锌可缓解高脂饮食诱导的肝脂质积累。
H3K14ac缺失通过基因表达上调促进肝组织脂质积累
机制上，小鼠肝脏RNA-seq与ChIP-seq联合分析表明，锌缺乏导致的H3K14ac降低，与脂滴合成途径（如甘油三酯合成、细胞内脂质运输、脂滴出芽）相关基因（如Lpin1、Fabp1、Fitm1）的表达上调密切相关。在细胞水平，用KAT7抑制剂WM-3835处理或敲低KAT7可诱导原代肝细胞脂滴形成和相关基因表达。临床数据荟萃分析进一步显示，伴有肝脂肪变性的患者其肝脏锌浓度显著低于健康对照组。
研究结论与意义
本研究系统阐明了锌缺乏致病的一条核心表观遗传通路：锌缺乏 → KAT7锌配位丧失/失活 → 增强子区域H3K14ac水平降低 → 特定基因表达程序改变。这不仅揭示了细胞通过上调ZIP10来应对锌缺乏、维持自身锌稳态的适应性反应机制，更重要的是，发现了长期锌缺乏会通过同一表观遗传轴，错误地上调脂质合成相关基因，从而导致肝脏脂质积累，这为理解锌缺乏相关疾病（如生长障碍、免疫功能异常、非酒精性脂肪肝病等）的发病机制提供了全新的分子视角。研究将锌这一必需微量元素与KAT7介导的精密表观遗传调控直接联系起来，证明细胞能够将简单的营养缺乏状态转化为复杂的表观遗传信号，以驱动生理或病理结局。这一发现不仅深化了对锌生物学功能的认识，也为开发针对KAT7-H3K14ac轴或锌稳态的干预策略，以预防或治疗与锌缺乏相关的代谢性疾病及其他病理状态，奠定了重要的理论基础。
