責編 | 兮
細胞中的信號轉導在很大程度上依賴於蛋白質氨基酸側鏈的翻譯後修飾狀態【1】。當翻譯後修飾發生在不同位點、佔據不同比例和產生多樣的修飾組合，這會使得同一個底物蛋白被「裝扮」成了構象、功能、結合伴侶、定位存在巨大差異的蛋白質變體。這激發了研究者們研究蛋白質翻譯後修飾的熱情。近年來，人們對經典的翻譯後修飾如磷酸化、糖基化、乙酰化、泛素化、甲基化等已經有了深入了解。然而，有趣的是在賴氨酸殘基上仍舊不斷有新的酰化修飾如巴豆酰化【2】、丁酰化【3】、丙二酰化【4】、琥珀酰化【5】被發現。同樣在賴氨酸殘基上，2019年芝加哥大學趙英明教授課題組首次報道了在組蛋白上發現了乳酰化（詳見BioArt報道：Nature亮點 | 趙英明組發現組蛋白乳酸化新修飾）【6】。該研究證明了組蛋白乳酰化修飾是由乳酸衍生而來的，並且該修飾在不同的生物學場景中具有和組蛋白乙酰化不重疊的轉錄調控功能。這無疑是解答了細胞是如何感知代謝變化、啟動轉錄調節機制的一項重要發現。
但是有趣的問題尚待解答：乳酰化是一種廣泛存在於人類細胞、組織中的翻譯後修飾嗎？乳酰化可能發生在人類非組蛋白的賴氨酸殘基上嗎？非組蛋白的乳酰化修飾水平如何，是否具有生物學調控作用？
為了解答這些問題，2022年6月27日，中國藥科大學郝海平/葉慧團隊聯合南京中醫藥大學王南溪教授合作在Nature Methods上發表了文章Cyclic immonium ion of lactyllysine reveals widespread lactylation in the human proteome。該工作首次鑒定並確證了攜帶乳酰化修飾賴氨酸的多肽所產生的特徵環狀亞胺離子，應用該離子從現有的非富集、大規模的人類蛋白質組數據資源中挖掘出全新的乳酰化修飾底物蛋白和位點的信息，並通過向代謝酶定點引入乳酰化修飾，初步確證了乳酰化發生在人類的非組蛋白底物上同樣具有重要的調控功能。
該研究的靈感來自於對蛋白組翻譯後修飾研究的規律總結：磷酸化、乙酰化等翻譯後修飾均可產生具有診斷意義的特徵離子。乳酰化修飾是否也會產生診斷離子？
為了驗證此猜想，該團隊提出在共享的海量人類蛋白質組數據庫中探究乳酰化修飾是否存在新的底物。然而，從非富集的蛋白質組數據中檢索修飾位點的假陽性率極高，若能發現修飾特異性的特徵離子則能通過譜圖篩選，顯著降低賴氨酸位點存在修飾的假陽性率，揭示真實的修飾靶標，指導後續的生物學功能探索。基於此需求，該團隊通過合成和研究模型乳酰化肽段的譜圖，首次發現了攜帶乳酰化修飾賴氨酸的多肽在質譜碰撞室中經過二級斷裂會形成鏈狀亞胺離子，該離子經過脫氨環化再形成次生碎片——環狀亞胺離子。該團隊通過分析化學修飾和生物樣本中富集出的陽性乳酰化肽段，再以近十萬條人類蛋白質組的非修飾合成肽段譜圖作為陰性對照，確證了環狀亞胺離子指征乳酰化修飾的靈敏度和特異性，能作為判定數據庫搜索獲得的乳酰化修飾新位點的金標準。
基於該診斷離子策略，研究者從現有的非富集、大規模人類蛋白質組數據資源中挖掘了大量全新的乳酰化修飾底物蛋白及其位點的信息，特別是從2020年Nature Methods【7】發表的多種人類細胞系的蛋白質組熱穩定性Meltome Atlas數據資源里發現乳酰化修飾高度富集在糖酵解通路代謝酶這一現象。其中，乳酰化修飾的代謝酶ALDOA在多種人類腫瘤細胞系中具有保守性且修飾佔位比高，引發了乳酰化修飾能調節代謝酶活性等功能，進而調控糖酵解通路的猜想。
郝海平、葉慧團隊進一步聯合王南溪課題組，利用先進的化學生物學技術——基因密碼子擴展技術，首次實現向靶蛋白ALDOA定點引入乳酰化修飾，發現修飾後酶活性顯著降低，揭示了乳酸蓄積後，通過共價修飾糖酵解通路中上游代謝酶，抑製糖酵解活躍度的反饋調節機制，對生物化學領域現有的「終產物抑制」的調控模式進行了補充。
綜上，該研究表明乳酰化是廣泛存在於人類組織、細胞中的一種非組蛋白特異性的翻譯後修飾，對非組蛋白的底物蛋白也具有調控功能。該分析策略可為揭示乳酸更多的共價修飾靶標，闡釋乳酰化修飾的動態變化與乳酸紊亂在炎症、腫瘤等重大慢性疾病發生髮展中的重要作用之間的因果關係，進而發現新的疾病治療靶點提供線索。
2019級博士研究生皖寧和2018級碩士研究生王念為本論文的共同第一作者，葉慧研究員、郝海平教授、王南溪教授為本文的共同通訊作者。
郝海平/葉慧團隊長期招收具有生物信息學、代謝調控、靶標發現等背景的博士生/碩士生，簡歷投遞郵箱：[email protected]和[email protected]；歡迎對藥學、微生物與生化藥學感興趣的同學報考王南溪教授的博士生/碩士生，簡歷投遞郵箱：[email protected]。
原文鏈接:
https://www.nature.com/articles/s41592-022-01523-1
參考文獻
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[7] Jarzab A, Kurzawa N, Hopf T, et al. Meltome atlas-thermal proteome stability across the tree of life. Nat Methods. 2020, 17(5):495-503.
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