冉冉升起的新星：非组蛋白的巴豆酰化修饰及其调控

景杰编者按：近些年来，随着高分辨率蛋白质质谱技术的革新，极大地促进蛋白质翻译后修饰领域(post-translational modifications, PTMs)的研究，研究人员陆续鉴定到很多全新的PTMs修饰，这其中，赖氨酸巴豆酰化（Lysine Crotonylation, Kcr）就是广受关注的一种修饰。Kcr修饰最早由芝加哥大学赵英明教授实验室鉴定，文章发表在2011年的Cell（文章第一作者谭敏佳博士现为中科院药物所研究员)。该修饰通常出现在转录活跃的染色质区的组蛋白上，Kcr修饰和生殖调控密切相关，参与精子细胞发育基因的调控。上述研究分别被Cell杂志和Faculty1000评选为表观遗传领域的研究亮点。作为兼具高通量蛋白质组学技术和研发PTMs修饰抗体的公司，景杰生物一直是蛋白质组和蛋白质修饰组学的领跑者。在Kcr修饰研究领域，景杰生物分别和华东师范大学廖鲁剑教授团队、北京大学基础医学院张宏权教授团队合作，系统地鉴定细胞中发生巴豆酰化修饰的非组蛋白，上述结果分别发表在著名学术期J. Proteome Res和Cell Research。

前  言:

和其它的天然氨基酸相比，蛋白质赖氨酸侧链的伯氨基团带有孤对电子，具有很高的亲核反应活性，因此较容易发生酰化修饰。芝加哥大学赵英明教授团队首次鉴定到八种新的赖氨酸酰化修饰：丙酰化、巴豆酰化、琥珀酰化、丁酰化、丙二酰化、戊二酰化、二羟基异丁酰化和三羟基丁酰化 （图 1）。这些酰化修饰多发生在组蛋白上，其中很多和基因表达的调控有关，因此引发研究人员的极大兴趣，推动了表观遗传学领域的研究。但是也有研究表明，有些酰化修饰并不局限于发生在组蛋白上：琥珀酰化修饰同样也可以发生在非组蛋白，如线粒体内中三羧酸循环中的代谢酶。那么作为功能同样重要的巴豆酰化修饰，是否会出现在非组蛋白上？为了回答这个问题，杭州景杰分别和廖鲁剑教授团队、张宏权教授团队合作，系统地分析细胞中发生巴豆酰化修饰的非组蛋白，最终发现非组蛋白同样也会发生巴豆酰化修饰。

图 1，八种新型赖氨酸酰化修饰

廖鲁剑教授团队以HeLa细胞为材料，利用景杰公司开发的高特异性赖氨酸巴豆酰化泛抗体富集Kcr肽段，依靠景杰公司的高分辨率质谱平台鉴定Kcr位点。有报道表明，在体外用巴豆酸处理细胞后，细胞内蛋白的巴豆酰化水平会显著增加。结果发现经巴豆酸钠处理HeLa细胞后，体内巴豆酰水平大幅度增加，最终鉴定到1185个Kcr位点（分属于453个蛋白）。相比之下，未用巴豆酸钠处理后，只能鉴定74个Kcr位点（分属于70个蛋白）（图 2）。对鉴定到的Kcr蛋白进行分析，其中很多蛋白属于核蛋白。作者发现组蛋白去乙酰化酶HDAC1也被巴豆酰化修饰，并且该修饰抑制其去乙酰化的活性（图 3）。

图 2，巴豆酰钠可以诱导细胞内蛋白巴豆酰化修饰水平增加

图 3， 组蛋白去乙酰化酶HDAC1的巴豆酰化修饰抑制其去乙酰化的活性

张宏权教授团队以肺癌细胞H1299为材料，利用景杰公司开发的高特异性赖氨酸巴豆酰化泛抗体富集Kcr肽段，依靠景杰公司的高分辨率质谱平台鉴定Kcr位点。最终鉴定到2696个Kcr位点，分属于1024个蛋白。其中有40%的巴豆酰化修饰蛋白位于细胞质中，27%位于细胞核中，13%位于线粒体 （图 4）。作者利用免疫组化分析Kcr修饰在小鼠组织中的分布，结果发现Kcr修饰广泛存在各种小鼠组织中：如肺、肾脏、肝脏、结肠、子宫、卵巢，提示Kcr修饰可能参与众多生理过程。David Allis教授团队2015年在Molecular Cell上报道组蛋白乙酰转移酶p300也具有巴豆酰转移酶的活性。张宏权教授团队猜测乙酰转移酶也可能对非组蛋白进行巴豆酰化修饰。他们发现CBP和hMOF这两个乙酰转移酶，能够显著增加底物NPM1的巴豆酰水平。他们还测试了一些组蛋白去乙酰化酶是否具有去巴豆酰化的活性，结果发现HDAC1和HDAC3能够导致底物NPM1去巴豆酰化的活性（图 5）。

图 4， 发生巴豆酰化蛋白的亚细胞定位

CBP、p300、PCAF也具有巴豆酰化转移酶活性

HDAC1和HDAC3也具有去巴豆酰化酶活性

图 5， 某些乙酰化修饰酶也具有巴豆酰化修饰酶的活性

总结：

蛋白质的翻译后修饰逐渐受到研究人员的重视，这其中尤其以赖氨酸的酰化修饰最引人注目。现有的研究多关注组蛋白赖氨酸的酰化修饰，研究酰化修饰对基因表达的调控。但是随着研究的深入，很多酰化修饰也发生在非组蛋白上。这两篇关于赖氨酸巴豆酰化修饰的文章提示我们，赖氨酸的酰化修饰的意义可能远比我们一开始认识要重要，非组蛋白Kcr的修饰的功能及其调控，在发育过程甚至疾病中的作用都值得我们在以后的工作中关注。

参考文献：

1.Minjia Tan et al., (2011). Identification of 67 histone marks and histone lysine crotonylation as a new type of histone modification. Cell, 146(6): 1015-1027.

2. Wei Wei, et al., (2017), Large-scale identification of protein crotonylation reveals its role in multiple cellular functions. J. Proteome Res., 16 (4), pp 1743–1752

3. Weizhi Xu, et al., (2017), Global profiling of crotonylation on non-histone proteins. Cell Research :1-4

景杰生物通过整合以组学为导向（包括基因蛋白质组学和组蛋白密码组学）的生物标志物发现、以生物标志物为导向的药物研发、以高质量抗体为基础的诊断试剂盒开发这三个环节，逐步构建起“疾病精准分层”、“精准药物研发”、“疾病精准诊断” 三位一体的精准医疗产业化发展的运作链条，从而为精准医疗产业化开创出一片广阔前景, 并开辟出一条可行路径。