藍細(xì)菌賴氨酸巴豆酰化調(diào)控酶的鑒定與功能機制研究進展
賴氨酸巴豆?;揎検巧矬w內(nèi)重要的蛋白質(zhì)翻譯后修飾之一,指的是巴豆?;鶊F從巴豆酰輔酶A (crotonyl-CoA) 轉(zhuǎn)移到蛋白質(zhì)特定的賴氨酸ε-氨基上,形成巴豆酰化的賴氨酸。這種修飾因其獨特的四碳結(jié)構(gòu)和由碳-碳π鍵形成的剛性平面結(jié)構(gòu)而區(qū)別于其他酰基化修飾,它能夠顯著影響蛋白質(zhì)與DNA及蛋白質(zhì)間的相互作用,進而在基因表達調(diào)控、代謝途徑調(diào)節(jié)等眾多生物學(xué)過程中扮演重要角色。研究表明,賴氨酸乙酰轉(zhuǎn)移酶和去乙?;敢矃⑴c調(diào)控巴豆?;揎椀倪^程。中國科學(xué)院水生生物研究所葛峰研究員聯(lián)合趙進東院士團隊先前已報道了藍細(xì)菌中首個賴氨酸乙酰轉(zhuǎn)移酶和去乙?;?,這些酶通過調(diào)控底物的乙?;癄顟B(tài)影響藍細(xì)菌的生長和光合作用(Plant Physiology,2020,184(2):762-776;Plant Physiology,2023,194(2):634-661)。圍繞藍細(xì)菌中是否存在特定的賴氨酸巴豆酰化調(diào)控酶這一問題,研究人員開展了深入研究。
近期,該研究團隊在藍細(xì)菌Synechococcus sp. PCC 7002中系統(tǒng)篩選潛在賴氨酸巴豆酰轉(zhuǎn)移酶。通過體內(nèi)外實驗證實,乙酰轉(zhuǎn)移酶cGNAT2兼具巴豆酰轉(zhuǎn)移酶活性。分析表明,cGNAT2與乙酰輔酶A和巴豆酰輔酶A的結(jié)合位點存在空間差異,且其催化乙酰化和巴豆?;磻?yīng)的活性位點互不重疊,提示該酶通過差異化催化機制介導(dǎo)兩類修飾(圖1)。

圖1. 藍細(xì)菌賴氨酸巴豆酰轉(zhuǎn)移酶cGNAT2的鑒定和結(jié)構(gòu)分析
研究團隊對Synechococcus sp. PCC 7002中的去乙?;敢策M行了系統(tǒng)篩選。通過體內(nèi)外實驗證實,Synechococcus sp. PCC 7002中的去乙?;窩ddA同樣具有去巴豆?;芰?,可有效去除藍細(xì)菌和大腸桿菌蛋白的巴豆?;揎棧瑢ddA的催化活性位點突變分析發(fā)現(xiàn),該酶的催化活性具有位點特異性(圖2)。

圖2. 藍細(xì)菌賴氨酸去巴豆?;窩ddA的鑒定和結(jié)構(gòu)分析
為深入理解cGNAT2和CddA的分子作用機制,研究團隊采用巴豆酰化抗體富集和非標(biāo)記定量巴豆?;M學(xué)技術(shù),鑒定到536個cGNAT2靶標(biāo)修飾蛋白和360個CddA底物蛋白。這些蛋白廣泛分布于代謝途徑和光合作用通路中,較多代謝關(guān)鍵酶受到cGNAT2和CddA的協(xié)同調(diào)控,表明cGNAT2和CddA介導(dǎo)的巴豆酰化修飾在光合作用和能量代謝等過程中具有重要的調(diào)控作用(圖3)。

圖3. cGNAT2和CddA的內(nèi)源性靶標(biāo)蛋白鑒定
功能實驗表明,光系統(tǒng)I蛋白(PsaD)是cGNAT2和CddA的關(guān)鍵作用標(biāo)靶,cGNAT2特異性催化PsaD的K28位巴豆?;鳦ddA介導(dǎo)K108位的去巴豆?;Mㄟ^體外酶促反應(yīng)、生物膜干涉實驗和體內(nèi)的免疫共沉淀實驗,研究進一步驗證了cGNAT2和CddA能夠在體內(nèi)外調(diào)控PsaD的巴豆?;揎棤顟B(tài)(圖4)。

圖4. cGNAT2和CddA調(diào)控PsaD的巴豆?;?/span>
為探索巴豆?;瘜saD功能的調(diào)控機制,研究團隊構(gòu)建了PsaD的修飾位點突變菌株。表型分析顯示,在正常光照和高光脅迫條件下,突變株的生長速率和光合作用效率受到顯著影響,表明K28和K108巴豆?;揎椀膭討B(tài)平衡可能影響光系統(tǒng)I的穩(wěn)定性,從而影響藍細(xì)菌的生長和光合作用過程。
該研究首次在藍細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)賴氨酸巴豆酰轉(zhuǎn)移酶cGNAT2和去巴豆酰化酶CddA,并闡明其通過特異性調(diào)控底物蛋白的巴豆酰化修飾進而實現(xiàn)其功能的分子機制(圖5),為研究藍細(xì)菌以及其他光合生物的光合作用調(diào)控機制提供了新思路。

圖5. cGNAT2和CddA在藍細(xì)菌中調(diào)控生長和光合作用的分子機制模型
該研究成果“The role of CddA and cGNAT2 in crotonylation of proteins in cyanobacteria”在線發(fā)表于New Phytologist雜志,水生所博士生林健為該論文的第一作者,葛峰研究員與楊明坤高級實驗師為共同通訊作者,該研究得到自然科學(xué)基金和國家重點研發(fā)計劃的資助。文章鏈接:https://doi.org/10.1111/nph.70310
