由于与基因转录、细胞代谢、衰老、以及多种疾病密切相关，发生在赖氨酸上的可逆蛋白质翻译后修饰（Lys-PTMs）一直是众多研究关注的重点，这些修饰包括乙酰化、乳酰化、琥珀酰化、棕榈酰化等等。在诸多酰基化修饰中，乙酰化是被广泛报道的赖氨酸修饰之一，参与多种重要细胞进程的调控。除乙酰化之外，琥珀酰化是另一种被深入研究的赖氨酸PTM，它参与调控了细胞TCA循环，蛋白质翻译和能量代谢等。蛋白乙酰化和琥珀酰化都使用细胞代谢物，即乙酰辅酶A和琥珀酰辅酶A，分别作为它们的酰基化供体，并且，在某些情况下它们可以以非酶催化的方式发生。
先前的研究表明，乙酰化和琥珀酰化针对蛋白上不同位置的赖氨酸残基表现出修饰偏好性。然而，在同一赖氨酸残基上，也经常能观察到两种或多种不同的蛋白翻译后修饰。目前，在水稻、铜绿假单胞菌和副溶血性弧菌蛋白质组中均发现有不同的蛋白翻译后修饰现象并进行了系统性分析。然而，无论是在体内还是体外，对不同酰基化修饰之间是如何协调并共同调控细胞生理生化的，人们的认识一直并不清楚。
图1：文章截图
（论文链接：https://www.mcponline.org/article/S1535-9476(21)00120-1/fulltext#%20）
近日，中国科学院深圳先进技术研究院赵国屏院士团队在蛋白质组学权威杂志MOLECULAR & CELLULAR PROTEOMICS发表了题为Global insights into lysine acylomes reveal crosstalk between lysine acetylation and succinylation in Streptomyces coelicolor metabolic pathways的研究论文，系统性解析了天蓝色链霉菌中赖氨酸乙酰化和琥珀酰化的互作现象。通过分别研究基因组中潜在的去乙酰化酶ScCobB1和去琥珀酰化酶ScCobB2，并进行细胞全组学蛋白翻译后修饰定量比较，该工作揭示了两种酰基化修饰对赖氨酸位点全局性的竞争性关系，并协同调控了多个重要的细胞代谢通路。
中国科学院深圳先进技术研究院赵维副研究员为本文的通讯作者，赵国屏研究员和复旦大学中山医院李鹏博士为本文共同通讯作者。该项研究成果是继中科院深圳先进技术研究院研究团队发现特异性的去琥珀酰化酶ScCobB2（Mol Cell Proteomics，2019）和提出乙酰化调控染色体分离起始模型（Nucleic Acids Research，2020）工作后的又一重要研究进展。这些研究结果表明，细菌中的酰基化修饰具有多样性、动态性和协调性，对细胞的中心代谢、蛋白质合成、以及染色体分离等进程起到了重要的调控作用，对细菌的生理生化研究具有重要意义。
图2：两种典型的赖氨酸蛋白翻译后修饰：乙酰化和琥珀酰化
研究团队首先从天蓝色链霉菌中赖氨酸乙酰化修饰出发，通过对不同时间点的天蓝色链霉菌全蛋白乙酰化修饰程度进行检测，发现其乙酰化修饰不仅分布广泛，并且其程度整体上随着细菌的生长而降低。针对这一结果，研究团队对处于生长对数中期的天蓝色链霉菌进行了全蛋白乙酰化修饰组学高精度质谱分析。从GO注释、KEGG通路分析等来看，乙酰化修饰广泛参与了天蓝色链霉菌蛋白质翻译和细胞代谢相关蛋白的调控，并可能帮助菌体适应变化的土壤环境。
通过比较分析蛋白质乙酰化和琥珀酰化的保守序列，研究团队确定在天蓝色链霉菌中乙酰化与琥珀酰化的修饰偏好性是不一样的。但同时，乙酰化与琥珀酰化修饰经常出现在同一蛋白的不同赖氨酸位点上，而且在中心代谢通路的某些蛋白位点上也发现有随机的两种不同修饰。这说明乙酰化和琥珀酰化修饰可能在细胞内存在相互协调的作用关系。为了证明这一点，研究团队采用高精度定量质谱方法，分析比较了天蓝色链霉菌去乙酰化酶ScCobB1和去琥珀酰化酶ScCobB2敲除后的乙酰化/琥珀酰化修饰组学。研究结果发现乙酰化和琥珀酰化在天蓝色链霉菌中有着广泛的互作，并且在针对同一赖氨酸位点修饰时可能存在竞争关系。这两种蛋白翻译后修饰互作集中在蛋白质生物合成和碳代谢通路中。研究团队通过体外表达去酰基化酶，采用HPLC的方法对多个蛋白位点再次验证了翻译后修饰的互作协调现象。
图3：该研究的技术路线
总的来说，该研究通过体内外实验证明了天蓝色链霉菌中乙酰化和琥珀酰化广泛的互作。该研究结果支持两种PTMs靶向不同赖氨酸残基的观点，也提出了可能的针对同一赖氨酸位点的竞争修饰关系。该工作证明了去酰基化酶在其中的调控作用，也为后续天蓝色链霉菌乙酰化和琥珀酰化研究提供了诸多靶点。
图4：天蓝色链霉菌中乙酰化&琥珀酰化互作结果
中国科学院分子植物卓越创新中心博士生杨玉蛟为论文第一作者，马里兰大学张宏博士为文章共同一作。相关工作得到了深圳合成生物学创新研究院、科技部重点研发计划基金、中国科学院战略性先导科技专项基金、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金和中国博士后科学基金的经费支持。