新研究揭示亞硝基化修飾調控哺乳動物蛋白質合成的速度與精確性

2020-12-06 中國生物技術網

2020年6月3日，國際學術期刊《Nucleic Acids Research》在線發表了中科院分子細胞科學卓越創新中心（生物化學與細胞生物學研究所）周小龍研究組、王恩多研究組與中科院生物物理所陳暢研究組合作研究成果"Nitrosative stress inhibits aminoacylation and editing activities of mitochondrial threonyl-tRNA synthetase by S-nitrosation"。

人基因組編碼38種氨基醯-tRNA合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase, aaRS)，負責細胞質與線粒體兩套蛋白質合成系統。aaRS催化tRNA的氨基醯化反應保證蛋白質合成的速度，催化編校反應保證蛋白質合成的精確性。蛋白質合成的速度與精確性受營養、環境、病原體感染等因素的調控。例如，在細菌感染時，人細胞質甲硫氨醯-tRNA合成酶(MetRS)被磷酸化修飾，誤氨基醯化若干非tRNAMet，在非甲硫氨酸密碼子上誤參甲硫氨酸，介導適應性翻譯(adaptive translation)；在氧化應激(oxidative stress)條件下，細菌蘇氨醯-tRNA合成酶(ThrRS)編校活性位點的半胱氨酸(Cys)會被次磺酸化修飾，導致編校活性喪失，造成錯誤翻譯(mistranslation)；沙門氏菌苯丙氨醯-tRNA合成酶(PheRS)在氧化應激情況下發生氧化修飾，卻促進編校反應。但長期以來，硝化應激(nitrosative stress)對於蛋白質合成的潛在調節作用一直未知。

該項研究中，研究人員首先發現：活性氧H2O2引起的氧化應激不能調節人或鼠線粒體及細胞質ThrRS的活性；與之相反的是，活性氮(Reactive Nitrogen Species, RNS)一氧化氮供體GSNO卻顯著下調線粒體ThrRS的氨基醯化與誤氨基醯化能力；通過自主優化的不可逆Biotin-Switch方法(Irreversible Biotin-switch Procedures, IBP)，結合質譜分析，鑑定了線粒體ThrRS上4個Cys殘基被亞硝基化修飾，其中一個殘基(Cys409)是胺基酸活化的活性中心；通過一系列突變體的構建，結合生化分析，發現發生在每一個Cys殘基的亞硝基化修飾均不同程度地下調了酶的氨基醯化與編校反應活力；進一步分別從人源細胞線粒體和小鼠皮層組織中鑑定到8種線粒體aaRS和14種細胞質aaRS被亞硝基化修飾。進一步研究發現在亨廷頓疾病(Huntington disease)小鼠模型中檢測到皮層組織線粒體ThrRS亞硝基化修飾顯著降低，提示線粒體蛋白質合成調控在疾病中的潛在作用。

該研究首次發現硝化應激對ThrRS氨基醯化與編校反應的抑制作用；首次繪製了人源細胞和小鼠皮層組織中細胞質與線粒體的aaRS亞硝基化修飾網絡，揭示了亞硝基化修飾對哺乳動物細胞蛋白質合成的速度與精確性的調控；為揭示亨廷頓神經退行性疾病的分子機制提供了新的線索。

分子細胞科學卓越創新中心與上海科技大學聯合培養博士研究生鄭文強、生物物理所張玉英博士、研究生姚勤及陳於哲為本文共同第一作者，周小龍研究員、陳暢研究員、王恩多研究員為本文共同通訊作者。該研究得到了生物物理所王曦博士在蛋白質自由巰基分析方面的大力支持；華中科技大學李和教授惠贈亨廷頓R6/1模型小鼠。本工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院的經費資助。

圖：RNS介導的亞硝基化修飾對於線粒體ThrRS活力的調節作用示意圖

論文連結：

https://academic.oup.com/nar/advancearticle/doi/10.1093/nar/gkaa471/5850316

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