图1.利用转肽酶介导的复分解反应对组蛋白编辑的示意图
组蛋白H3的N端翻译后修饰在调控基因转录活性和染色质结构方面发挥着非常重要的功能，其异常修饰可能会导致发育紊乱和癌症的发生。FDA认证上市的药物vorinostat和tazemetostat分别通过抑制去乙酰化酶HDAC和甲基转移酶EZH2的活性治疗癌症，故调控组蛋白修饰对基础研究和药物开发都有重要意义。在现有的方法中，密码子拓展技术和蛋白质反式剪接能够制备含有特定修饰的组蛋白，但是无法编辑细胞原位的组蛋白；小分子抑制剂和组蛋白修饰酶的融合蛋白虽然能够调控细胞原位的组蛋白修饰，但是无法精准引入多种修饰。
金黄色葡萄球菌转肽酶sortase A最早被发现催化特定蛋白共价连接到细胞壁上，然后被逐步开发改造成一类重要的化学工具酶，其介导的连接反应（图2A）被广泛应用于蛋白质研究。但是由于该反应的两个底物末端必须含有转肽酶所需的识别序列，导致其应用有局限性。在此研究中，作者提出了转肽酶Sortase介导的复分解反应（图2B），多肽底物可以含有额外穿膜序列，蛋白底物也可使用全长序列，从而有潜力应用到细胞内编辑蛋白质的修饰。作者初步使用含有sortase识别序列的组蛋白H3L(A29L)以及H3L多肽作为底物成功进行了证实，为利用H3L-R9穿膜肽和转肽酶编辑组蛋白H3L的N端修饰奠定了基础（图2C-D）。
图2.使用5M-Srt和H3L验证转肽酶介导的复分解反应
由于传统转肽酶的活性因依赖钙离子而在细胞核内不适用，作者通过突变改造得到了具有高活性且不依赖于钙离子的新变体6M-Srt，并在体外验证了其在核小体上高效的反应活性。6M-Srt通过先将H3L原有的尾巴切掉，然后把带有特定修饰的底物多肽连接到中间体上的作用方式对核小体的H3L进行编辑，并且阴离子交换色谱证明核小体在此过程中一直保持着结构完整性（图3）。更进一步，作者使用提取的细胞核证实6M-Srt可以穿过核孔将化学修饰通过复分解反应编辑到染色质上的H3L。
图3.使用6M-Srt体外对重塑核小体进行修饰编辑
最后，作者利用细胞穿膜肽将带有特定位点含有生物素、赖氨酸甲基化或赖氨酸巴豆酰化修饰的底物多肽传递到活细胞的细胞核中，参与6M-Srt介导的与组蛋白H3L的复分解反应，成功将各种修饰编辑到活细胞的染色质上（图4A-C）。另外，使用带有基因沉默修饰的H3K9me3K27me3穿膜肽对稳定表达绿色荧光蛋白的海拉细胞进行编辑后能够降低细胞的绿色荧光强度（图4D-E）。
图4.使用H3L-R9穿膜肽和6M-Srt对活细胞染色质上H3L的修饰编辑
综上所述，该工作构建了一种全新机制的编辑染色质上组蛋白修饰的方法，能够实现对活细胞内组蛋白多个位点多种类型修饰的编辑，为开发新一代精准的组蛋白H3翻译后修饰的编辑方法用以调控基因转录活性和表观遗传修饰状态奠定了坚实的基础。转肽酶Sortase介导的复分解反应还有望被拓展应用到其他组蛋白的表观遗传研究，或者将探针、标签和荧光基团等分子引入活细胞中用于其他蛋白质的化学生物学研究。
该研究工作得到了国家自然科学基金、西湖大学、西湖实验室的资助。另外该工作得到了西湖大学分子科学公共实验平台，生物医学实验技术中心的质谱与代谢平台、基因组平台和流式平台，以及高性能计算中心的支持。该研究还得到了西湖大学生命科学学院马丽佳课题组提供的帮助。