《Nature Communications》：Native chromatome profiling reveals hundreds of metabolic enzymes in the nucleus across tissues
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本研究针对代谢与表观遗传在癌症中的交互作用尚不清楚，特别是代谢酶的核内定位范围与功能相关性不明这一问题，研究人员通过优化染色质组学技术，对多种组织和癌症细胞系进行了全面的染色质结合蛋白质组学分析。研究发现，包括氧化磷酸化（OXPHOS）和单碳（一碳）叶酸代谢通路在内的数百种代谢酶广泛、特异地定位于染色质，其丰度具有组织特异性，并与DNA损伤修复等过程动态相关。该研究揭示了代谢酶在细胞核内普遍的“兼职”（moonlighting）功能，为理解核内代谢如何调控染色质功能和癌症进展开辟了新途径。
癌症的发生与发展，不仅伴随着遗传物质的改变，也深刻重塑了细胞内的两大景观：代谢和表观遗传。人们早已知道，这两者之间存在千丝万缕的联系。传统观点认为，这种联系主要是间接的：代谢产生的“原料”，比如乙酰辅酶A、S-腺苷甲硫氨酸等，为染色质上的组蛋白或DNA修饰（即表观遗传标记）“添砖加瓦”，从而影响基因表达。反过来，基因表达的改变又会影响代谢酶的产量。然而，近年来的一些“奇闻逸事”开始挑战这一范式：一些原本在细胞质或线粒体里“上班”的代谢酶，竟被发现“溜”进了细胞核，甚至“挂靠”在染色质上，干起了与代谢看似无关的“兼职”，比如调控基因转录或参与DNA修复。这引发了一个大胆的猜想：细胞核里是否潜藏着一个被我们长期忽视的、由代谢酶构成的“地下世界”？它们在那里做什么？是普遍现象还是个例？与癌症等疾病又有何关联？这些问题一直悬而未决。
为了揭开这个谜团，一个由S. Kourtis等人领导的研究团队在《自然-通讯》上发表了一项重磅研究。他们不再满足于零敲碎打的个案报道，而是决定进行一次全景式的“人口普查”，系统地绘制出不同组织和癌症细胞中，到底有哪些蛋白质“定居”在染色质上。为此，他们优化并建立了一套高精度的染色质蛋白质组学分析流程，对来自10种不同组织（包括多种癌症细胞系和健康原代细胞）的54个样本进行了深度分析，构建了一个前所未有的跨组织染色质结合蛋白质图谱。
这项研究综合运用了多项关键技术。首先是优化的染色质富集与蛋白质组学技术，研究者改进了染色质提取协议，通过顺序裂解、超声处理和核酸酶消化，高纯度地富集染色质结合蛋白，并结合数据非依赖性采集质谱（DIA-MS）进行高通量、高重复性的蛋白质鉴定与定量。其次是多组学整合与生物信息学分析，研究利用人类蛋白质图谱数据库、进化年龄数据、KEGG通路富集分析、蛋白质共变异网络等工具，对海量蛋白质组数据进行深度挖掘，以揭示代谢酶核定位的规律和潜在功能。第三是多层次验证技术，为了验证质谱发现，研究广泛采用了免疫荧光成像、蛋白质印迹等技术，在细胞系和组织微阵列水平，对关键代谢酶（如OXPHOS复合体亚基、一碳代谢酶）的核内及核仁定位进行了定量验证。此外，还通过细胞周期分析、DNA损伤诱导模型、以及基因工程构建亚细胞区室限制性突变细胞株 等方法，深入探究了代谢酶核动态变化的功能后果。
研究人员取得了以下主要发现：
1. 跨组织染色质图谱揭示了核心染色质组
通过对10种组织44个癌细胞系和10个健康细胞样本的分析，研究者鉴定出约5100个蛋白质/样本，并最终定义了由3467个蛋白质组成的“核心染色质组”。该核心组高度富集核功能相关蛋白，且验证了方法的优越性。有趣的是，其中超过42%的蛋白在当前数据库中并未被标注为核蛋白，暗示了大量未知核功能的“兼职”蛋白存在。
2. 染色质上广泛存在代谢酶，且具有组织特异性
深入分析发现，在“核心染色质组”中，代谢酶占比超过7%，数量超过200个。尤其令人惊讶的是，传统认为完全在线粒体内运作的氧化磷酸化通路的蛋白，在染色质上被大量检出，超过60%的核编码OXPHOS亚基存在于该数据集中。进一步分析表明，不同代谢通路在染色质上的富集程度具有显著的组织特异性。例如，OXPHOS蛋白在乳腺癌细胞染色质上尤为丰富，而在肺癌细胞中则相对匮乏；嘌呤代谢蛋白则在血液来源的细胞中染色质水平较高。
3. 代谢酶在染色质上的定位是动态且功能相关的
研究者以一碳叶酸代谢通路酶为例，深入探究了其功能。蛋白质共表达网络分析显示，这些代谢酶与“染色体组织”、“DNA代谢”、“DNA损伤修复”等过程的蛋白显著共变。当用电离辐射诱导DNA损伤后，免疫荧光成像动态追踪发现，MTHFD1、ATIC、GART和IMPDH2等一碳代谢酶在细胞核内的丰度会随时间发生显著变化，且与DNA损伤标志物γH2AX的水平呈正相关，表明它们的核聚集与DNA损伤应答过程紧密相连。
4. 验证OXPHOS亚基在人类组织中的核定位
为了确认质谱发现的生理相关性，研究者在乳腺癌和肺癌细胞系以及患者组织微阵列中进行了验证。结果显示，OXPHOS复合物的多个亚基（如CYC1、COX4、ATP5A1、NDUFV1）确实存在于细胞核内，且其核内水平在乳腺癌和肺癌中存在差异。例如，NDUFV1和ATP5A1在乳腺癌中的核水平高于肺癌。更特别的是，COX4在乳腺癌细胞和患者肿瘤组织的核仁区域有显著定位，这进一步提示了其可能具有独立于线粒体的特殊核功能。
5. 区室化代谢酶对细胞功能有独特影响
为了区分代谢酶在细胞不同位置（核内 vs. 胞质）的功能，研究者以IMPDH2为模型，构建了只能定位在细胞核（NLS-IMPDH2）或只能留在细胞质（NES-IMPDH2）的突变细胞株。RNA测序分析发现，虽然IMPDH2的主要功能是通过合成鸟苷酸维持细胞基本稳态，但其亚细胞定位仍能细微调节转录组。核定位的IMPDH2与胞质定位的IMPDH2相比，能差异调节DCAF8L1、CCL2等基因的表达，并影响ERK信号通路活性及BRCA1蛋白的稳定性，这表明IMPDH2在核内可能通过不依赖于其催化活性的机制参与转录调控和基因组稳定性维护。
综合以上结果，该研究得出核心结论：代谢酶在细胞核染色质上的定位是一个普遍、受调控且具有功能重要性的生物学现象。这打破了代谢酶主要局限于细胞质细胞器的传统认知。研究不仅首次通过大规模蛋白质组学证实了“核内充满代谢酶”的假说，还进一步揭示其具有组织特异性、癌症类型特异性，并能动态响应DNA损伤等细胞应激。
在讨论中，作者强调了本研究的深远意义。首先，它提供了一个强大的“染色质代谢酶图谱”资源，为未来研究核内代谢如何影响染色质结构和基因表达奠定了坚实基础。其次，研究提示核内代谢酶的组成可能与细胞身份（如组织类型、癌变状态）密切相关，甚至可能作为细胞状态转换（如分化、癌变、衰老）的传感器和效应器。最后，许多在癌症中染色质水平发生变化的代谢酶（如ACBD5、ATP5MJ），其核内功能完全未知，这为发现新的疾病治疗靶点开辟了全新方向。总之，这项研究从根本上改变了我们对细胞代谢空间组织的理解，将细胞核从一个纯粹的“遗传信息中心”重新定义为一个活跃的“代谢调控中心”，为理解癌症等疾病的代谢-表观遗传交互作用提供了全新的视角和框架。
