冉冉升起的新星:非組蛋白的巴豆醯化修飾及其調控

2020-12-06 生物谷

編者按:

近些年來，隨著高解析度蛋白質質譜技術的革新，極大地促進蛋白質翻譯後修飾領域(post-translational modifications, PTMs)的研究，研究人員陸續鑑定到很多全新的PTMs修飾，這其中，賴氨酸巴豆醯化（Lysine Crotonylation, Kcr）就是廣受關注的一種修飾。Kcr修飾最早由芝加哥大學趙英明教授實驗室鑑定，文章發表在2011年的Cell （文章第一作者譚敏佳博士現為中科院藥物所研究員)。該修飾通常出現在轉錄活躍的染色質區的組蛋白上，Kcr修飾和生殖調控密切相關，參與精子細胞發育基因的調控。上述研究分別被Cell雜誌和Faculty1000評選為表觀遺傳領域的研究亮點。作為兼具高通量蛋白質組學技術和研發PTMs修飾抗體的公司，景傑生物一直是蛋白質組和蛋白質修飾組學的領跑者。在Kcr修飾研究領域，景傑生物分別和華東師範大學廖魯劍教授團隊、北京大學基礎醫學院張宏權教授團隊合作，系統地鑑定細胞中發生巴豆醯化修飾的非組蛋白，上述結果分別發表在著名學術期J. Proteome Res和Cell Research。

前 言:

和其它的天然胺基酸相比，蛋白質賴氨酸側鏈的伯氨基團帶有孤對電子，具有很高的親核反應活性，因此較容易發生醯化修飾。芝加哥大學趙英明教授團隊首次鑑定到八種新的賴氨酸醯化修飾：丙醯化、巴豆醯化、琥珀醯化、丁醯化、丙二醯化、戊二醯化、二羥基異丁醯化和三羥基丁醯化 （圖 1）。這些醯化修飾多發生在組蛋白上，其中很多和基因表達的調控有關，因此引發研究人員的極大興趣，推動了表觀遺傳學領域的研究。但是也有研究表明，有些醯化修飾並不局限於發生在組蛋白上：琥珀醯化修飾同樣也可以發生在非組蛋白，如線粒體內中三羧酸循環中的代謝酶。那麼作為功能同樣重要的巴豆醯化修飾，是否會出現在非組蛋白上？為了回答這個問題，杭州景傑分別和廖魯劍教授團隊、張宏權教授團隊合作，系統地分析細胞中發生巴豆醯化修飾的非組蛋白，最終發現非組蛋白同樣也會發生巴豆醯化修飾。

圖 1 八種新型賴氨酸醯化修飾

內 容：

廖魯劍教授團隊以HeLa細胞為材料，利用景傑公司開發的高特異性賴氨酸巴豆醯化泛抗體富集Kcr肽段，依靠景傑公司的高解析度質譜平臺鑑定Kcr位點。有報導表明，在體外用巴豆酸處理細胞後，細胞內蛋白的巴豆醯化水平會顯著增加。結果發現經巴豆酸鈉處理HeLa細胞後，體內巴豆醯水平大幅度增加，最終鑑定到1185個Kcr位點（分屬於453個蛋白）。相比之下，未用巴豆酸鈉處理後，只能鑑定74個Kcr位點（分屬於70個蛋白）（圖 2）。對鑑定到的Kcr蛋白進行分析，其中很多蛋白屬於核蛋白。作者發現組蛋白去乙醯化酶HDAC1也被巴豆醯化修飾，並且該修飾抑制其去乙醯化的活性（圖 3）。

圖 2 巴豆醯鈉可以誘導細胞內蛋白巴豆醯化修飾水平增加

圖 3 組蛋白去乙醯化酶HDAC1的巴豆醯化修飾抑制其去乙醯化的活性

張宏權教授團隊以肺癌細胞H1299為材料，利用景傑公司開發的高特異性賴氨酸巴豆醯化泛抗體富集Kcr肽段，依靠景傑公司的高解析度質譜平臺鑑定Kcr位點。最終鑑定到2696個Kcr位點，分屬於1024個蛋白。其中有40%的巴豆醯化修飾蛋白位於細胞質中，27%位於細胞核中，13%位於線粒體 （圖 4）。作者利用免疫組化分析Kcr修飾在小鼠組織中的分布，結果發現Kcr修飾廣泛存在各種小鼠組織中：如肺、腎臟、肝臟、結腸、子宮、卵巢，提示Kcr修飾可能參與眾多生理過程。David Allis教授團隊2015年在Molecular Cell上報導組蛋白乙醯轉移酶p300也具有巴豆醯轉移酶的活性。張宏權教授團隊猜測乙醯轉移酶也可能對非組蛋白進行巴豆醯化修飾。他們發現CBP和hMOF這兩個乙醯轉移酶，能夠顯著增加底物NPM1的巴豆醯水平。他們還測試了一些組蛋白去乙醯化酶是否具有去巴豆醯化的活性，結果發現HDAC1和HDAC3能夠導致底物NPM1去巴豆醯化的活性（圖 5）。

圖 4 發生巴豆醯化蛋白的亞細胞定位

圖 5 某些乙醯化修飾酶也具有巴豆醯化修飾酶的活性

總 結：

蛋白質的翻譯後修飾逐漸受到研究人員的重視，這其中尤其以賴氨酸的醯化修飾最引人注目。現有的研究多關注組蛋白賴氨酸的醯化修飾，研究醯化修飾對基因表達的調控。但是隨著研究的深入，很多醯化修飾也發生在非組蛋白上。這兩篇關於賴氨酸巴豆醯化修飾的文章提示我們，賴氨酸的醯化修飾的意義可能遠比我們一開始認識要重要，非組蛋白Kcr的修飾的功能及其調控，在發育過程甚至疾病中的作用都值得我們在以後的工作中關注。（生物谷Bioon.com）

參考文獻:
1.Minjia Tan et al., (2011). Identification of 67 histone marks and histone lysine crotonylation as a new type of histone modification. Cell, 146(6): 1015-1027.
2.Wei Wei, et al., (2017), Large-scale identification of protein crotonylation reveals its role in multiple cellular functions. J. Proteome Res., 16 (4), pp 1743–1752
3.Weizhi Xu, et al., (2017), Global profiling of crotonylation on non-histone proteins. Cell Research :1-4

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