PNAS | 戈凯团队揭示脂肪细胞中组蛋白伴侣HIRA的功能及调控转录的新机制

脂肪组织在维持机体糖脂稳态中发挥核心作用，其不仅负责能量储存，还作为内分泌器官分泌多种脂肪因子【1,2】。 脂联素 ( a diponectin ) 由 Adipoq 基因编码，是调节胰岛素敏感性的关键脂肪因子， Adipoq 敲除小鼠表现出严重的胰岛素抵抗，尤其是在高脂饮食刺激下【3,4】。脂肪组织的 发育 ( adipogenesi s ) 受到 PPARγ 、 C/EBPα 等转录因子及多种表观 遗传 因子的共同控制【5,6】，脂肪细胞数目增加 ( 增生 ) 及体积增大 ( 肥大 ) 共同驱动了肥胖状态下脂肪组织的扩张【2,7】。然而，组蛋白伴侣在脂肪组织功能维持及扩张中的作用未被报道 过 。

组蛋白伴侣 HIRA ( H istone R egulator A ) 可将组蛋白 H3 变体 H3.3 以不依赖 DNA 复制的方式 整合到 基因调控区域包括启动子和增强子【8-12】。此前研究表明， HIRA 介导的 H3.3 在基因组上的整合 对胚胎发育、心脏发育、造血及肌肉再生等多个生物学过程至关重要，提示其功能具有谱系或阶段特异性【13-16】。然而， HIRA 如何调控基因表达，并 是否参与脂肪组织功能调控，目前尚不清楚。

近日，美国国立卫生研究院 ( NI H) 糖尿病 和消化及 肾脏病 研究 所 ( NIDDK )戈凯团队在PNAS杂志上发表了题为Histone chaperone HIRA regulates adiponectin expression and obesity-associated adipose expansion by facilitating Pol II pause release的文章 。该研究证明脂肪细胞特异性敲除Hira会损害小鼠胰岛素敏感性并限制高脂饮食诱导的脂肪组织扩张。机制上HIRA结合Adipoq及脂代谢基因的启动子和增强子，促进暂停在启动子上的RNA聚合酶II(Pol II)的释放及转录延伸。这一过程很可能独立于HIRA经典的整合H3.3的功能。

研究团队首先将 Hira f/f 小鼠与 Adipoq -Cre 小鼠杂交，构建了脂肪细胞特异性 Hir a 敲除小鼠 ( A-KO ） 。在正常饮食条件下， A-KO 小鼠的体重、脂肪量及瘦体重与对照组 ( f/f ) 小鼠并无明显差异，但血清脂联素水平降低约 3 倍，胰岛素水平及 胰岛素抵抗稳态模型评估 指数 ( Homeostasis Model Assessment of Insulin Resistanc e ) 显著升高，提示存在胰岛素抵抗。 对脂肪组织的 RNA - Seq 分析显示， Adipoq 、 Retn 、 Slc25a1 等胰岛素 应答 及脂代谢相关基因表达显著下调，而脂肪 发育 标志基因 Pparg 和 Cebpa 未受影响，表明 HIRA 缺失特异性影响了 脂代谢 基因 表达 。

为探究 HIRA 在肥胖发生中的作用，研究人员进一步给予小鼠 8 周高脂饮食喂养。与对照组相比， A-KO 小鼠体重及脂肪量增加显著减少，尤其是附睾脂肪增重受限最为明显 ，且 脂肪细胞体积总体偏小，提示脂肪细胞肥大过程受阻。 同时， A -KO 小鼠 血清 中 总胆固醇、脂联素及瘦素水平均显著降低。 RNA - S eq 结果表明 ， Fasn 、 Agpat2 、 Bscl2 、 Cd36 等脂代谢基因在两种脂肪组织中一致下调，功能富集分析显示这些基因高度集中于脂质代谢通路 。这些结果 提示 HIRA 对肥胖相关的脂肪组织扩张至关重要。

为深入 探究 HIRA 调控转录的分子机制，研究团队在 3T3-L1 脂肪 前 体 细胞中引入 dTAG 快速蛋白降解系统 ，实现对 HIRA 蛋白的 快速 清除 ( 3 小时内清除超过 90% ) ，从而避免 稳定 基因敲除带来的继发效应。 ChIP-Seq 分析显示， HIRA 在脂肪细胞分化 第 4 天 直接 结 合 Adipoq 、 Chrebp 、 Fasn 等 脂质代谢 基因的启动子和增强子区域 。第 4 天 恰好是这些基因被强烈诱导表达的 时间点。 结合新生 RNA 测序 ( nascent RNA-Seq ) 分析，研究人员发现 快速 清除 HIRA 后， Adipoq 及 Chr ebp 等 多个脂代谢基因的转录水平显著下降，证实 HIRA 对这些基因的转录具有直接的正向调控作用。

有意思的是， 快速 清除 HIRA 后，转录 共 激活因子 CBP 、 BRD4 及 Mediator 复合物亚基 MED1 在增强子上的招募几乎不受影响，说明 HIRA 并非通过调控增强子活化发挥作用。进一步 对 Pol II 在染色体上的结合 分析显示， HIRA 清除后 Pol II 在启动子处 明显 累积，全基因组水平 P ol II 的暂停指数 ( pausing index ) 显著升高；与此同时，代表转录起始的 Ser5 磷酸化 Pol II 水平上升，而代表转录延伸的 Ser2 磷酸化 Pol II 及延伸因子 CDK9 、 SPT6 水平则明显下降。这些结果表明， HIRA 的核心功能在于促进 Pol II 从启动子近端暂停状态释放并进入有效延伸，而非调控转录起始。值得注意的是， 快速 清 除 HIRA 6 小时后， H3.3 的整合 仅出现 微弱 下降，而 Pol II 暂停释放 的 缺陷 明显 ，提示 HIRA 介导的这一转录调控机制很可能独立于其经典的 H3.3 整合 功能。

总的来说，该研究首次将组蛋白伴侣 HIRA 与脂肪组织功能及肥胖联系起来，揭示了一条区别于经典 H3.3 整合 途径的全新转录调控机制 ： HIRA 直接结合 Adipoq 及脂代谢基因的调控元件，促进 RNA Pol II 暂停释放及转录延伸，从而维持 相关基因的正常表达 。这一发现不仅拓展了组蛋白伴侣调控基因转录的认知框架，也为肥胖及胰岛素抵抗的治疗提供了潜在的新靶点。

NIH 的万丹阳博士是本文的独立第一作者 ( 现为 NIH Research Fellow ) 。原 NIH 终身 资深研究员 戈凯为通讯作者。 该工作得到了 NIH 的 Keiko Ozato 和 Oksana Gavrilova 等合作者的大力支持。

https://doi.org/10.1073/pnas.2603875123

戈凯教授现已全职回国，加盟浙江大学医学院附属第一医院，创建表观遗传研究所并担任所长。研究发育、肥胖和肿瘤的表观遗传调控，聚焦增强子上的染色质修饰酶。戈凯团队 现阶段在国内具备充足且稳定的科研经费支持 ，现面向国内外招聘优秀团队成员。感兴趣的请联系。

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