纷来沓至：赖氨酸酰化修饰在多个物种中的鉴定与功能探索
蛋白质赖氨酸的乙酰化修饰及其功能的研究，是近十年内蛋白质翻译后修饰的热点之一。除了乙酰化修饰外，芝加哥大学赵英明教授实验室陆续发现并报道的丙酰化、丁酰化、巴豆酰化、琥珀酰化、丙二酰化、2-羟基异丁酰化、3-羟基丁酰化、戊二酰化等八种酰化修饰。
这些蛋白质修饰广泛参与表观遗传调控，代谢途径调控和生殖发育等重要的生物学过程，极大加深了我们对蛋白质翻译后修饰的认识。 除了组蛋白上发生这些酰化修饰外，非组蛋白上酰化修饰的发现也逐渐揭示出蛋白质翻译后修饰对生命活动调控的广泛性与多样性【1】。近期，景杰生物的合作者接连在蛋白质组学领域著名专业期刊Molecular & Cellular Proteomics上发表三篇论文，阐述乙酰化、琥珀酰化、2-羟基异丁酰化，三种修饰分别在三种微生物中的鉴定与功能探索，体现出这些酰化修饰广泛而多样的翻译后调控功能。
蛋白质赖氨酸乙酰化最早报道于1968年，并且在1997年后逐渐发现非组蛋白乙酰化修饰的广泛存在【2】。2010年，来自复旦大学的赵世民教授和中科院上海植生所的赵国屏院士发现，在原核细胞如沙门氏菌中，中心代谢的众多酶也受到乙酰化调控，从而应对环境中碳源的变化【3】。参与该研究的还有复旦大学管坤良、熊跃教授、上海生化所曾嵘研究员、上海交大姚玉峰教授等人。
2017年11月，中国农业科学院油料作物研究所龚阳敏团队和景杰生物合作，在学术期刊Molecular & Cellular Proteomics发表文章【4】，研究者应用蛋白质组学技术全面分析硅藻模式生物Phaeodactylum tricornutum乙酰化修饰图谱，一共鉴定到1220个蛋白上共2324个乙酰化修饰位点，是目前植物领域赖氨酸乙酰化位点鉴定的新纪录。
图1. 通过蛋白质组学鉴定赖氨酸乙酰化修饰
研究表明，几乎所有的脂肪酸合成代谢中的酶类都存在赖氨酸乙酰化，同时，位点突变等实验证实酰化辅酶A合成酶ACSL1蛋白特定位点K407与K425的乙酰化水平能够增强酶活性，并且其乙酰化水平受到Sirt家族去乙酰化酶调控。该项研究阐明蛋白质赖氨酸乙酰化修饰调控酰化辅酶A合成酶ACSL1活性，并且指明赖氨酸乙酰化修饰在这一硅藻模式生物中对脂肪酸代谢的潜在调控功能。
图2. 酰化辅酶A合成酶ACSL1蛋白存在赖氨酸乙酰化修饰
且受到Sirt家族去乙酰化酶调控
蛋白质赖氨酸琥珀酰化修饰最早由芝加哥大学赵英明教授实验室发现【5】，后续的研究表明，赖氨酸琥珀酰化修饰广泛存在于真核或原核生物中，并且与乙酰化修饰存在大量的Overlap【6】。
图3. 赖氨酸琥珀酰化修饰广泛存在于真核或原核生物并且与乙酰化修饰存在大量overlap
2018年1月初刚刚于Molecular & Cellular Proteomics期刊发表的文章以黄曲霉这一常见病原霉菌为研究对象，报道了赖氨酸琥珀酰化修饰的存在以及对黄曲霉素合成以及霉菌致病性的影响，主导该项研究的是来自福建农林大学的汪世华教授团队，参与该项研究的还有中科院水生生物研究所的葛峰研究员【7】。
研究者应用景杰生物独家开发的特异性琥珀酰化修饰泛抗体富集琥珀酰化修饰肽段结合蛋白质组学技术，成功鉴定到黄曲霉菌349个琥珀酰化修饰蛋白上985个琥珀酰化修饰位点。这些琥珀酰化修饰蛋白广泛参与到多种黄曲霉菌生物过程调控中，且尤其在黄曲霉素合成通路中存在富集。
图4. 黄曲霉菌多种代谢调控通路中赖氨酸琥珀酰化修饰的富集
通过对黄曲霉素合成途径关键酶AflE蛋白的点突变实验表明，AflE蛋白琥珀酰化修饰影响黄曲霉素的生物合成。此外，该项研究获得的赖氨酸琥珀酰化修饰图谱也极大丰富了我们对黄曲霉菌代谢调控网络的深入理解与解析。
图5. 黄曲霉素合成关键酶AflE蛋白琥珀酰化修饰影响黄曲霉素合成
2014年赵英明课题组在 Nature Chemical Biology发文首次报道赖氨酸2-羟基异丁酰化修饰【8】，发现该修饰在物种间广泛存在、在进化上保守，并指出组蛋白H4K8hib对精子细胞的分化起到重要的调控作用。
以这篇文章为基础，清华大学戴俊彪教授、北京蛋白质中心钱小红教授和赵英明教授合作，于2017年在PNAS发文【9】，报道了酿酒酵母通过调节葡萄糖代谢稳态对组蛋白H4K8hib的修饰水平进行调控，初步确定在酵母中去修饰作用由Rpd3p和Hos3p联合介导完成。构建起一个Khib，葡萄糖代谢和酵母时序寿命的功能调控网络。并且对H4K8hib这一新组蛋白标志的功能调控有了更深入的认识。
2018年1月初，天津医科大学基础医学院的张锴教授团队与景杰生物合作的奇异变形杆菌（Proteus mirabilis）2-羟基异丁酰化修饰工作，在线发表于Molecular & Cellular Proteomics【10】，应用景杰生物独家开发的2-羟基异丁酰化修饰泛抗体富集结合高分辨率蛋白质谱分析，研究共鉴定到1051个蛋白上共4735个2-羟基异丁酰化修饰位点。结合生物信息学分析，研究发现大量2-羟基异丁酰化修饰发生在如：嘌呤代谢，戊糖磷酸途径，糖酵解与糖异生等能量代谢过程，并且通过实验证实了2-羟基异丁酰化修饰的丰度与碳源类型相关。
图6. 2-羟基异丁酰化修饰鉴定
研究者随后证明了ENO蛋白K343位点2-羟基异丁酰化修饰通过影响底物2-磷酸-D-甘油酸 （2PG）与酶活中心的结合，负调控ENO蛋白酶活性。
图7. 2-羟基异丁酰化修饰对ENO蛋白酶活性的影响
该项研究作为原核生物奇异变形杆菌中第一个非组蛋白2-羟基异丁酰化修饰图谱鉴定，该修饰在细菌中的后续功能研究提供了新的思路。
综上所述，蛋白质赖氨酸酰化修饰广泛存在于真核与原核生物中，并且参与到以能量代谢为主的多种生理生化过程，越来越多的文章揭示并证明了酰化修饰的关键性与广泛性。而“应用蛋白质谱分析获得修饰图谱，选取关键调控蛋白进行功能验证”这一思路，让我们可以从系统生物学的水平了解酰化修饰的变化，为寻找深入研究的切入点奠定基础。
参考文献：
1. Benjamin Sabari, et al. Metabolic regulation of gene expression through histone acylations. Nature Reviews Molecular Cell Biology 2017; 18: 90–101
2. Wei Gu and Robert Roeder. (1997). Activation of p53 sequence-specific DNA binding by acetylation of the p53 C-terminal domain. Cell 90, 595–606.
3. Qijun Wang, et al. (2010). Acetylation of metabolic enzymes coordinates carbon source utilization and metabolic flux. Science 327,1004-1007.
4. Zhuo Chen, et al. (2017). Acetylome profiling reveals extensive lysine acetylation of the fatty acid metabolism pathway in the diatom Phaeodactylum tricornutum. Mol Cell Proteomics. RA117.000339.
5. Zhihong Zhang, et al. (2011). Identification of lysine succinylation as a new post-translational modification. Nature Chemical Biology 7, 58-63.
6. Brian Weinert, et al. (2013). Lysine succinylation isa frequently occurring modification in prokaryotes and eukaryotes and extensively overlaps with acetylation. Cell Reports 4, 842–851.
7. Ren, S., et al. (2018). Lysine succinylation contributes to aflatoxin production and pathogenicity in Aspergillus flavus. Mol Cell Proteomics.RA117.000393.
8. Lunzhi Dai, et al. Lysine 2-hydroxyisobutyrylation is a widely distributed active histone mark. Nature Chemical Biology 2014; 10: 365-370
9. Jing Huang, et al. 2-Hydroxyisobutyrylation on histone H4K8 is regulated by glucose homeostasis in Saccharomyces cerevisiae. PNAS 2017; 114: 8782-8787
10. Dong, H., et al. (2018). Systematic identification of lysine 2-hydroxyisobutyrylated proteins in Proteus mirabilis. Mol Cell Proteomics.RA117.000430.
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。