Nat Comm重大突破，首次报道肠道微生物菌群的宏乙酰化修饰组全景

景杰学术 | 报道

肠道菌群的稳态失调已被报道与多种疾病相关，包括肥胖、糖尿病、克罗恩病（CD）、癌症和心血管疾病等。在过去几年里，宏组学方法（包括宏基因组学、宏转录体和宏蛋白质组学）已经被用于探究这些疾病患者的微生物组组成和功能的改变。然而，对调节蛋白质活性极其重要的翻译后修饰（PTMs），除了在单个微生物层面展开的相关研究外，针对肠道微生物菌群蛋白质修饰全景的研究却鲜有报道，使得PTMs对肠道微生物组的调控作用仍不清楚。

近日，加拿大渥太华大学的Daniel Figeys团队在国际著名期刊Nature Communications上发表最新研究成果。研究人员使用肽免疫亲和富集策略结合质谱来表征微生物组中的蛋白质赖氨酸乙酰化（Kac），成功从肠道微生物组样本中鉴定出35,200 个Kac肽段。这些肽段广泛分布在肠道微生物代谢途径，包括厌氧发酵产生短链脂肪酸。将其应用到CD患者的微生物样本分析，确定了52个宿主和136个微生物蛋白Kac位点，它们在疾病条件下被显著改变。该研究提出了微生物乙酰化修饰组学的分析方法，对于推进功能性微生物组的研究来说是一项前瞻性开拓。

研究速读

1.  肠道微生物宏蛋白组/乙酰化组学研究

研究人员选取了六位健康志愿者的新鲜粪便作为蛋白组学样本（样本策略），对样本中的微生物进行了宏蛋白质组学和乙酰化组学的质谱分析（质谱策略），具体的流程如下图1所示。宏蛋白质组学中鉴定出46,927个非Kac肽段和117个Kac肽段（171个Kac位点）；乙酰化组学中鉴定出7387个非Kac肽段和35,200个Kac肽段（31,821个Kac位点，其中31,307个来自微生物，497个来自人类）。

 图1  实验和生物信息学工作流程

2.  肠道微生物乙酰化修饰分类差异及代谢通路中的广泛存在

通过Unipept对鉴定出的Kac肽段进行生物多样性分析，发现有28,321条肽段（占80%）归属于细菌，24,785条肽段可在门水平上分类（Firmicutes 15170条，Bacteroidetes 7876条，其他门1739条）。进一步数据表明，菌群中厚壁菌门的蛋白乙酰化水平较高。随后的KEGG通路分析发现，蛋白质乙酰化修饰广泛的参与这些重要的肠道微生物代谢途径。

 图2  人微生物组类群特异性乙酰化以及鉴定到的Kac蛋白功能表征

3.  CD患者肠道微生物乙酰化组学变化

为了证明乙酰化组学/宏蛋白质组方法的适用性，研究人员从儿童CD患者收集肠MLI抽提物进行后续的宏蛋白组和乙酰化组质谱分析。分类特异性功能分析表明，CD中Kac丰度增加的蛋白主要来自拟杆菌，Kac丰度下调的蛋白主要来自涉及翻译和碳水化合物代谢的相关微生物蛋白。此外，研究人员还确定了CD中46个Kac丰度增加、6个Kac丰度降低的人源蛋白。相关结果揭示了乙酰化组在CD和对照组中的差异变化。

 图3   差异显著的微生物Kac位点及CD微生物组样本中人类蛋白质Kac位点的丰度变化

总 结

综上所述，研究人员建立了一个微生物宏乙酰化修饰组学的分析方法，对肠道微生物菌群中的乙酰化修饰组全景进行系统表征。结果再次证实了，乙酰化在人体肠道菌群的重要代谢途径中广泛存在，特别是在厚壁菌门中产生短链脂肪酸（SCFAs）的途径中。
该方法成功应用到克罗恩病患者肠道菌群的乙酰化修饰组研究，揭示了疾病状态下乙酰化修饰组的改变，再度凸显出蛋白组学在生物医学领域的重要研究意义。微生物宏修饰蛋白组学，结合宏蛋白质组分析的方法，为功能性微生物组的研究打开了新的篇章。

参考文献：

Xu Zhang, et al., 2020. Widespread protein lysine acetylation in gut microbiomeand its alterations in patients with Crohn’s disease. Nature Communications.

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