酰化修饰与合成生物学：微生物调控酰化辅酶A生物合成的“普世”机制

景杰生物/报道

合成生物学（synthetic biology）是指在阐明并模拟生物合成的基本规律之上，达到人工设计并构建新的、具有特定生理功能的生物系统，从而建立药物、功能材料或能源替代品等的生物制造途径。近年来因其交叉、融合和颠覆性受到广泛关注。今年，领导人在两院院士大会上的讲话指出：以合成生物学、基因编辑、脑科学、再生医学等为代表的生命科学领域将孕育新的变革。

合成生物学的核心在于对生物合成与代谢基本规律的认识。相较于基因组学与转录组学，蛋白质组学直接全面解析样本蛋白质丰度或翻译后修饰水平，发现基因组与转录组水平无法确定的生命活动的调控机理，对于深入了解生命活动的基本规律有着得天独厚的优势。

酰化修饰(Acylation)，是蛋白质翻译后修饰的一种，影响细胞染色质结构或激活核内转录调控因子，调节代谢通路及代谢酶活性，是最广泛运用于代谢机制、代谢疾病研究中的修饰类型之一，与合成生物学的研究有异曲同工之妙。

8月16日，华东理工大学叶邦策教授、中科院上海药物研究所的谭敏佳研究员、芝加哥大学的赵英明教授等科学家合作，在国际专业学术期刊Cell Chemical Biology上发表研究论文，揭示了酰化修饰调控微生物酰化辅酶A生物合成的“普世”机制，将酰化修饰组学与合成生物学两大生命科学的热点强强结合。

微生物代谢能够产生结构新颖、活性多样的次生代谢产物，这些化合物又是药物尤其是抗生素的重要来源。其中酰基辅酶A是微生物代谢产物生物合成的主要前体，也是赖氨酸酰化修饰的关键供体。酰基辅酶A量的积累可导致对应的蛋白质酰化水平升高。然而，在天然产物的生物合成途径中，赖氨酸酰化调控机制并不是很清楚。

研究首次对生物合成途径与宿主细胞之间相互作用的调节机制进行研究，拓展了人们对酰基辅酶A依赖的赖氨酸酰化功能的现有认识。此外，由于这种调节机制广泛存在于各种天然产物的生物合成中，并直接影响天然产物的产率。因此，在设计用于生物合成所需产物的生物合成系统时，评估细胞酰化水平就显得尤为重要。 

参与本研究的赵英明教授、谭敏佳研究员和叶邦策教授皆是酰化修饰与合成生物学领域的杰出科学家，两个学科的碰撞与联合启发我们在未来的科学研究中，多学科的交叉将给生命科学带来无限可能。景杰生物作为蛋白质组学与修饰领域的领跑者，长期致力于蛋白质组学与修饰组学在各学科领域中的运用与发展，为本研究提供了所需的高质量蛋白质修饰抗体。

关键词：酰基辅酶A（Acyl-CoAs），红霉素，蛋白质酰化修饰，微生物天然产物合成

1研究思路和成果

1. 蛋白质酰化修饰对红霉素产生效率的影响

研究者首先通过WB实验发现, 高产菌株E3中蛋白赖氨酸丙酰化水平显著下调, 而这和HPLC实验检测丙酰辅酶A含量降低一致。在红色链霉菌中，前体丙酰-CoA向终产物红霉素的转化效率直接决定了细胞丙酰-CoA浓度及相应的底物丙酰化修饰水平（如图1）。

图1红色链霉菌菌株定量蛋白组学及转录组学的分析

2. 酰化修饰对菌株的影响分析

研究者运用丙酰化修饰及乙酰化修饰组学分析，共鉴定到276种蛋白质中的488个赖氨酸丙酰化（Kpr）位点和366种蛋白质中的631个赖氨酸乙酰化（Kac）位点。80个未定量的乙酰化修饰位点中，57个存在WT菌株中，23个存在E3菌株中。而对于155个未定量的丙酰化修饰位点，在153个存在WT菌株中，仅有2个存在E3菌株中。另外乙酰化中E3/WT比值中值为1.07，丙酰化中值为0.25，与E3菌株相比，WT菌株中赖氨酸丙酰化水平明显改变，提示丙酰化修饰（非乙酰化）调控红色链霉菌菌株酶活性。

图2 红色链霉菌乙酰化修饰及丙酰化修饰组学及特征分析

3.丙酰化修饰影响红色链霉菌中丙酰辅酶A的内源供应

先前的研究已经证明，mmsOp1操纵子的过表达可以导致红色链霉菌菌株中红霉素产量的增加。因此，研究者选择由该操纵子控制的酶mmsA2（甲基丙二酸-半醛脱氢酶）作为实例来研究赖氨酸丙酰化对这些代谢酶的影响。通过对mmsA2发生修饰位点Motif分析及位点敲除实验证实了mmsA2的K94丙酰化修饰抑制了其活性，从而减少了红霉素生物合成中丙酰辅酶A的供应。

图3 丙酰化修饰影响红色链霉菌中丙酰辅酶A的内源供应 

4.丙酰化修饰影响红霉素生物合成外源供应

在红色链霉菌生物合成红霉素中需要补充正丙醇，当正丙醇的浓度高于0.3％时，红霉素的产率逐渐降低（图4A）。然而，对于红色链霉菌WT菌株，当用所有浓度的正丙醇处理时，未观察到红霉素产量的明显变化（图4B）。参与丙醇途径和S-腺苷甲硫氨酸合成途径的两种酶在1％丙醇中比在0.3％丙醇中更加高度丙酰化（图4C），这些发现揭示了涉及丙酰辅酶A衍生的红霉素生物合成的赖氨酸丙酰化的功能，表明在工业红霉素生产中需要考虑蛋白质翻译后修饰（PTM）的驱动效应。

图4 丙酰化修饰影响红霉素生物合成外源供应

5.丁酰化影响丙酮丁醇梭菌中丁醇的产生

为证实其他酰化修饰也参与影响微生物次生代谢过程，研究者还采用同样的方法研究了丁酰化修饰在丙酮丁醇梭菌菌株中对丁醇生成的影响，证实丁酰基辅酶A前体的过量供应可能导致生物合成途径中酶的酰化，从而降低了丁醇的产量。

图5 赖氨酸丁酰化影响丙酮丁醇梭菌中丁醇的产生

研究者还将这种机制扩展到来自不同碳骨架的其他种类的天然产物的生物合成中，包括丙二酰辅酶A衍生的十一烷基雌胍和丁酰辅酶A衍生的丁醇。

图6 酰基辅酶A供应对微生物中酰基辅酶A衍生天然产物合成的影响

2小结

目前基于高灵敏度的质谱技术所开展的组学研究已经在许多微生物中获得酰化修饰的表征。酰化修饰酰化修饰包括赖氨酸乙酰化，丙二酰化，巴豆酰化，丙酰化，丁酰化，琥珀酰化，戊二酰化，2-羟基异丁酰化等不同的修饰类型，存在于生物体内，广泛参与细胞分化、细胞代谢等重要生理活动，与炎症、代谢、肿瘤等疾病密切相关。

本研究通过对蛋白质组学及乙酰化、丙酰化、丁酰化修饰组学的充分利用，阐述了酰化修饰对工业微生物产生天然产物过程酶活性的影响,进而调控天然产物的产率。研究发现酰基辅酶A的过量供应会导致生物合成途径中酶的超高效，从而降低了终产物的产量。赖氨酸丙酰化修饰抑制红霉素的生物合成途径。

总之，作者的研究揭示了生物合成途径与宿主细胞之间相互作用的调节机制，扩展了酰基辅酶A依赖性赖氨酸酰化功能的现有认识。此外，由于这种调节机制广泛存在于各种天然产物的生物合成中，并直接影响所需天然产物的产率。因此，在设计用于生物合成所需产物的生物合成系统时，评估细胞酰化水平就显得尤为重要。

景杰生物作为蛋白质修饰领域的开创者与领跑者，揭示发现多种类的酰化修饰类型，提供全面的酰化修饰研究方案，以优质的蛋白质组学及修饰组学解决方案与高灵敏度的修饰类抗体，满足您的研究需求。

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作者介绍

谭敏佳博士：中科院上海药物所研究员、课题组长、博士生导师。2003 年毕业于复旦大学药学院，2008 年在中科院上海药物研究所获得博士学位。2008 年至2012 年在美国芝加哥大学Ben May 肿瘤研究所进行博士后研究。目前主要研究领域为运用基于最新超高分辨率质谱的前沿蛋白组学技术，结合生物化学、生物信息学和化学生物学等多学科交叉的研究手段，探究蛋白翻译后修饰通路的化学生物学功能、蛋白修饰调控酶为靶标的分子机制、和个性化药物标志物和精准药物治疗机理。研究工作发现了赖氨酸琥珀酰、巴豆酰、丙二酰和戊二酰等四种全新蛋白新修通路，揭示了这些新修饰与表观遗传和细胞代谢之间的关系。建立了组蛋白表观遗传修饰研究的蛋白组学新方法，增加了超过 70%的组蛋白修饰新位点，揭示了组蛋白巴豆酰化为与精子发育密切相关的新型表观遗传修饰。揭示了琥珀酰、丙二酰和戊二酰为细胞内广泛存在的新修饰形式，与能量代谢及线粒体功能密切相关，发现了Sirtuin家族去乙酰化酶Sirt5实为此三种修饰调控酶，揭示了蛋白戊二酰化为戊二酸尿症的分子病理新机制，发现了潜在治疗遗传代谢性疾病的新靶标。相关研究成果以第一作者或通讯作者发表在Cell、Cell Metab、 Nat ChemBiol、Mol Cell Proteomics等国际期刊。2012年入选中组部第三批“青年千人计划”，2013年入选“上海浦江人才计划”， 为十一届上海市青联委员、十二届全国青联委员。 叶邦策博士，华东理工大学教授，石河子大学特聘教授，浙江工业大学特聘教授，博士生导师，教育部“长江学者”特聘教授(2014年)，上海市教委曙光学者(2006年)，教育部新世纪优秀人才支持计划学者(2007年)，上海市科委优秀学科带头人(2011年)。近年来在Proc Natl Acad Sci USA,  Cell Chemical Biology, J Am Chem Soc, Angew Chem Int Ed, Anal Chem, Chem Comm, J  Biol Chem, Mol Microbiol等期刊发表SCI论文150多篇，SCI引用超过4300多次。申请中国发明专利21项，其中获授权8项；申请美国专利及PCT专利各1项。已培养硕士博士研究生50多名。先后主持了国家 “863”项目、国家自然科学基金（重点项目、科学仪器专项、面上项目）、教育部科技研究重大项目、上海市科委重点项目等。

参考文献

Ouidir, et al. (2016), Protein lysine acetylation in bacteria: Current state of the art. Proteomics.

Jun-Yu Xu, et al. (2018), Protein Acylation is a General Regulatory Mechanism in Biosynthetic Pathway of Acyl-CoA-Derived Natural Products. Cell Chemical Biology.

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