趙國屏/趙維團隊在蛋白質翻譯後修飾互作領域取得新進展

由於與基因轉錄、細胞代謝、衰老、以及多種疾病密切相關，發生在賴氨酸上的可逆蛋白質翻譯後修飾（Lys-PTMs）一直是眾多研究關注的重點，這些修飾包括乙醯化、乳醯化、琥珀醯化、棕櫚醯化等等。在諸多醯基化修飾中，乙醯化是被廣泛報道的賴氨酸修飾之一，參與多種重要細胞程序的調控。除乙醯化之外，琥珀醯化是另一種被深入研究的賴氨酸PTM，它參與調控了細胞TCA迴圈，蛋白質翻譯和能量代謝等。蛋白乙醯化和琥珀醯化都使用細胞代謝物，即乙醯輔酶A和琥珀醯輔酶A，分別作為它們的醯基化供體，並且，在某些情況下它們可以以非酶催化的方式發生。

先前的研究表明，乙醯化和琥珀醯化針對蛋白上不同位置的賴氨酸殘基表現出修飾偏好性。然而，在同一賴氨酸殘基上，也經常能觀察到兩種或多種不同的蛋白翻譯後修飾。目前，在水稻、銅綠假單胞菌和副溶血性弧菌蛋白質組中均發現有不同的蛋白翻譯後修飾現象並進行了系統性分析。然而，無論是在體內還是體外，對不同醯基化修飾之間是如何協調並共同調控細胞生理生化的，人們的認識一直並不清楚。

近日，中國科學院深圳先進技術研究院趙國屏院士團隊在MOLECULAR & CELLULAR PROTEOMICS發表了題為Global insights into lysine acylomes reveal crosstalk between lysine acetylation and succinylation in Streptomyces coelicolor metabolic pathways的研究論文，系統性解析了天藍色鏈黴菌中賴氨酸乙醯化和琥珀醯化的互作現象。透過分別研究基因組中潛在的去乙醯化酶ScCobB1和去琥珀醯化酶ScCobB2，並進行細胞全組學蛋白翻譯後修飾定量比較，該工作揭示了兩種醯基化修飾對賴氨酸位點全域性性的競爭性關係，並協同調控了多個重要的細胞代謝通路。

中國科學院深圳先進技術研究院趙維副研究員為本文的通訊作者，趙國屏研究員和復旦大學中山醫院李鵬博士為本文共同通訊作者。該項研究成果是繼中科院深圳先進技術研究院研究團隊發現特異性的去琥珀醯化酶ScCobB2（Mol Cell Proteomics，2019）和提出乙醯化調控染色體分離起始模型（Nucleic Acids Research，2020）工作後的又一重要研究進展。這些研究結果表明，細菌中的醯基化修飾具有多樣性、動態性和協調性，對細胞的中心代謝、蛋白質合成、以及染色體分離等程序起到了重要的調控作用，對細菌的生理生化研究具有重要意義。

圖1 | 兩種典型的賴氨酸蛋白翻譯後修飾：乙醯化和琥珀醯化

研究團隊首先從天藍色鏈黴菌中賴氨酸乙醯化修飾出發，透過對不同時間點的天藍色鏈黴菌全蛋白乙醯化修飾程度進行檢測，發現其乙醯化修飾不僅分佈廣泛，並且其程度整體上隨著細菌的生長而降低。針對這一結果，研究團隊對處於生長對數中期的天藍色鏈黴菌進行了全蛋白乙醯化修飾組學高精度質譜分析。從GO註釋、KEGG通路分析等來看，乙醯化修飾廣泛參與了天藍色鏈黴菌蛋白質翻譯和細胞代謝相關蛋白的調控，並可能幫助菌體適應變化的土壤環境。

透過比較分析蛋白質乙醯化和琥珀醯化的保守序列，研究團隊確定在天藍色鏈黴菌中乙醯化與琥珀醯化的修飾偏好性是不一樣的。但同時，乙醯化與琥珀醯化修飾經常出現在同一蛋白的不同賴氨酸位點上，而且在中心代謝通路的某些蛋白位點上也發現有隨機的兩種不同修飾。這說明乙醯化和琥珀醯化修飾可能在細胞記憶體在相互協調的作用關係。為了證明這一點，研究團隊採用高精度定量質譜方法，分析比較了天藍色鏈黴菌去乙醯化酶ScCobB1和去琥珀醯化酶ScCobB2敲除後的乙醯化/琥珀醯化修飾組學。研究結果發現乙醯化和琥珀醯化在天藍色鏈黴菌中有著廣泛的互作，並且在針對同一賴氨酸位點修飾時可能存在競爭關係。這兩種蛋白翻譯後修飾互作集中在蛋白質生物合成和碳代謝通路中。研究團隊透過體外表達去醯基化酶，採用HPLC的方法對多個蛋白位點再次驗證了翻譯後修飾的互作協調現象。

圖2 | 該研究的技術路線

總的來說，該研究透過體內外實驗證明了天藍色鏈黴菌中乙醯化和琥珀醯化廣泛的互作。該研究結果支援兩種PTMs靶向不同賴氨酸殘基的觀點，也提出了可能的針對同一賴氨酸位點的競爭修飾關係。該工作證明了去醯基化酶在其中的調控作用，也為後續天藍色鏈黴菌乙醯化和琥珀醯化研究提供了諸多靶點。

圖3 | 天藍色鏈黴菌中乙醯化&琥珀醯化互作結果

中國科學院分子植物卓越創新中心博士生楊玉蛟為論文第一作者，馬里蘭大學張宏博士為文章共同一作。

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