MCP重磅！中科院微生物所黄力组发文嗜热古生菌中蛋白质乙酰化功能研究
景杰学术/解读
蛋白质乙酰化是翻译后主要修饰（PTMS）之一，许多真核和细菌蛋白质中赖氨酸都能发生乙酰化修饰。Nα-乙酰化是真核生物一种常见于蛋白质翻译后修饰类型，参与调节蛋白质相互作用、定位、折叠和降解。Nα-乙酰化由N末端乙酰转移酶（NAT）和赖氨酸乙酰转移酶（KAT）催化，将乙酰辅酶A的乙酰基转移到赖氨酸α-氨基上形成Nα-乙酰化。目前，人类有六种NATS，分别为NatA -NatF。此外，细菌（如大肠杆菌和枯草芽孢杆菌）和真核线粒体也通过非酶催化途径介导蛋白乙酰化修饰。目前，在细菌中也发现了广泛的Nα-乙酰化（例如，铜绿假单胞菌中约18%的蛋白质），大肠杆菌 RimL, RimJ及RimI是已知的细菌NATs，但这些细菌NATs的作用仍不明确。
中国科学院微生物研究所微生物资源前期开发国家重点实验室黄力研究组主要从事极端环境微生物研究，重点关注极端嗜热古菌遗传机制及其环境适应性研究。近日，国际学术期刊Mol Cell Proteomics在线发表了黄力研究组题为Functional insights into protein acetylation in the hyperthermophilic archaeon Sulfolobus islandicus的研究论文，研究人员运用乙酰化修饰组学研究方法对嗜热古生菌中蛋白乙酰化功能进行系统性的研究。
与真核生物和细菌相比，古细菌的蛋白质乙酰化目前研究的比较少。已知S. islandicus中的蛋白乙酰基转移酶ARD1可以催化Nα-乙酰化，而蛋白乙酰基转移酶Pat介导蛋白质Nε-乙酰化修饰。在本研究中，作者对野生型S. islandicus及Pat或ARD1缺陷的突变株进行了Nε-和Nα-乙酰化蛋白质组学分析。结果发现蛋白质N端乙酰化约占已鉴定蛋白质44%，而内部赖氨酸残基修饰占基因编码的蛋白质的理论总量26%。SisPat介导一小部分蛋白乙酰化修饰，以酰基CoA合成酶为首选底物，可能参与代谢调节。SisArd1表现除更广泛的底物特异性，并且能够介导人类N-端乙酰转移酶NatA-NatF靶蛋白的乙酰化修饰，可能参与包括细胞周期控制、DNA复制和基于CRISPR免疫反应等生物学过程。景杰生物为该研究的乙酰化修饰组学定量分析提供了技术支持。
1. 缺失SisPat的S.Islandicus菌（ΔSisPat）与亲本生长速度与亲本菌相似。
作者构建了蛋白乙酰基转移酶Pat缺失突变菌株 (ΔSisPat)，通过对比ΔSisPat，亲本株S. islandicus E233S及质粒介导ΔSisPat中SisPat过表达回复菌株 (pSeSD-SisPat) 的生长速度，发现ΔSisPat却没有表现出任何生长缺陷(图1A-B)。作者还对ΔSisPat和亲本菌进行了基于ITRAQ的定量蛋白质组学分析。鉴定到1,586个蛋白，可定量蛋白个数为1,543。变化倍数>1.5情况下，只有四个蛋白ΔSisPat发生差异表达变化（图1C）。
图1. Sispat基因缺失对S.Islandicus生长及蛋白表达水平的影响
2. Pat酶的介导体内一小部分蛋白乙酰化修饰
ΔSisPat及亲本菌中进行乙酰化修饰组学研究发现，赖氨酸N-ε-乙酰化位点广泛存在于S.Islandicus菌中，总共鉴定到684个蛋白上1,708个Nε-乙酰化赖氨酸位点, 其中，644个蛋白质的1503个位点是可定量的。与亲本菌相比，ΔSisPat菌株中只有 24个位点出现差异变化（变化倍数＞1.3倍），几乎所有位点乙酰化修饰水平是出现下调。体内6个酰化CoA合成酶是SisPat的底物 (图2A)，说明SisPat 介导的蛋白的Nε-乙酰化修饰主要参与维持细胞代谢平衡。SisPat介导酰化辅酶A合成酶乙酰化修饰的的序列是保守的 (图2B-C)。
3. SisArd1是一种重要的Nα-乙酰转移酶具有广泛的底物特异性
作者同时构建了Nα-乙酰基转移酶Ard1缺失菌株 (ΔSisArd1)，Ard1对的S.Islandicus菌的生长是必需的。与ΔSisArd1的生长表型一致，细胞中参与细胞分裂和细胞周期控制、DNA复制和嘌呤合成的蛋白表达量在突变体显著地降低。ΔSisArd1与亲本菌乙酰化修饰组学结果表明，在亲本菌鉴定到158个Nα-乙酰化修饰的蛋白（占总鉴定到蛋白的44%）。然而，ΔSisArd1菌中鉴定到36个Nα-乙酰化修饰的蛋白（占总鉴定到蛋白的11%）（图3B-C）。92%的Nα-氨基乙酰化修饰都是SisArd1介导的。SisArd1表现出更广泛的底物特异性。并且能够介导人类N-端乙酰转移酶NatA-NatF靶蛋白的乙酰化修饰。
综上所述，本研究通过对野生型嗜热古生菌 Sulfolobus islandicus菌株，蛋白乙酰基转移酶Pat缺失突变菌株 (ΔSisPat) 或Nα-乙酰基转移酶Ard1缺失菌株 (ΔSisArd1)进行蛋白质组学及乙酰化修饰组学分析，发现古细菌与普通的细菌以及真核生物一样,其赖氨酸Nε-氨基及Nα-氨基都可以也可以发生乙酰化修饰。并首次报道了这两种古细菌蛋白乙酰转移酶底物特异性和潜在作用。
参考文献
Jingjing Cao, et al., 2019, Functional insights into protein acetylation in the hyperthermophilic archaeon Sulfolobus islandicus. Mol Cell Proteomics.
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