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Cell子刊:沈阳农业大学陈启军组报道全球首张非洲锥虫蛋白质翻译后修饰图谱

发布时间: 2020-05-29
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锥虫(Trypanosome)是一种具有广泛宿主寄生性的单细胞人兽共患寄生原虫,主要流行于亚非拉各大洲。在我国,锥虫病以伊氏锥虫引起的苏拉病为主,可导致家畜日益消瘦甚至死亡,造成严重的经济损失,是世界卫生组织致力要控制和消灭的重要人兽共患病。伊氏锥虫被认为是布氏锥虫的一个突变体,这两种锥虫在基因组上非常相似,形态和生活史却截然不同,全面阐述蛋白质组和翻译后修饰(PTMs)组的动态变化,有望为探寻锥虫发育机制和防治策略提供潜在方向。

2020年4月,沈阳农业大学陈启军教授课题组在Cell出版社新子刊iScience上发表题为Landscapes of Protein Posttranslational Modifications of African Trypanosoma Parasites的论文。研究者对两种不同表型具有明显进化差异的锥虫(布氏锥虫和伊氏锥虫),进行了10种蛋白质翻译后修饰组学的分析,共鉴定到约40000个修饰位点和150个组蛋白修饰位点,并系统的揭示了驱动锥虫发育差异的分子机制。该研究是目前锥虫蛋白质翻译后修饰最为全面的研究,为研究具有明显进化差异的真核生物提供了有价值的模型。景杰生物作为共同作者提供了蛋白质修饰组学检测。

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一、布氏锥虫和伊氏锥虫的蛋白质组学差异

研究者首先通过非标记定量蛋白质组学(质谱策略)的方法对布氏锥虫和伊氏锥虫的蛋白组进行分析,分别在布氏锥虫和伊氏锥虫中鉴定到3957和3450个蛋白质,其中两种锥虫的同源蛋白质有2123个,在伊氏锥虫中,与鞭毛组织和运动相关的动力蛋白复合物表达上调;而在布氏锥虫中,蛋白质氧化还原酶活性和锌指类RNA结合蛋白更高表达。布氏锥虫特有蛋白质和布氏锥虫高表达蛋白质在三羧酸循环(TCA循环)途径中富集明显(图1)。同时,研究者利用平行反应监测(PRM)的方法对差异蛋白质进行了靶向验证,这些蛋白质的表达趋势与蛋白质组结果一致。

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二、布氏锥虫和伊氏锥虫的多修饰蛋白质组学分析

为进一步阐述两种锥虫蛋白质翻译后修饰水平的异同,研究者对布氏锥虫和伊氏锥虫进行了整合修饰蛋白质组学分析(包括磷酸化,乙酰化,泛素化,二羟基异丁酰化,巴豆酰化,丙二酰化,琥珀酰化,赖氨酸三甲基化,N-糖基化,O-糖基化共10种翻译后修饰类型)(图2)。结果显示蛋白质翻译后修饰在各个细胞器中分布广泛,主要参与了锥虫的信号转导、翻译、RNA处理、转运和蛋白质转换等重要的生物学过程。比较结果发现,蛋白质翻译后修饰影响了锥虫的代谢及运动。

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2.1 琥珀酰化修饰差异最显著,调控代谢导致二者形态差异

在多种修饰的差异比较中,研究者发现布氏锥虫和伊氏锥虫的琥珀酰化修饰差异最为显著,布氏锥虫体内蛋白质更易发生琥珀酰化修饰(图4A和4B),过往研究表明,琥珀酰化在代谢调节中起着重要作用,琥珀酰化修饰的供体琥珀酰辅酶A来源于TCA循环,这与蛋白质组学结果中布氏锥虫特有和高表达蛋白质富集在TCA循环的结论相一致。而参与TCA循环的蛋白能够维持锥虫在传播媒介中的良好发育从而完成锥虫由细长形态向短粗形态转变。进而研究者推测,琥珀酰化修饰水平可能引起布氏锥虫和伊氏锥虫之间的代谢差异,从而导致二者之间的形态差异。

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2.2 CRK3Y34是潜在的锥虫特异抑制剂开发靶点

另外,研究者还分析了布氏锥虫和伊氏锥虫的磷酸化序列。在这两种锥虫中,磷酸化蛋白质的侧翼序列呈现出不同的趋势,表明蛋白激酶的作用具有特异性。CRK3 和CRK6是布氏锥虫细胞周期和分化调控的关键蛋白质,对激酶与其底物磷酸化的预测结果显示,布氏锥虫CRK6(Tb927.11.1180)表达的增高和CRK3(Tb927.10.4990)酪氨酸34(Y34)自磷酸化水平的增高影响了其他蛋白质的磷酸化水平(图5A和5B),这些是导致布氏锥虫和伊氏锥虫磷酸化差异的关键因素。而CRK3Y34位于ATP结合位点,是多数激酶抑制剂的靶点,从而为开发锥虫特异抑制剂提供理论支持。

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2.3 翻译后修饰的差异影响锥虫运动能力

锥虫的鞭毛含有一个典型的9 + 2微管状轴突,旁鞭毛柱(PFR)沿着轴突运动,轴突通过过渡区(TZ)从基底体发出,由鞭毛附着区(FAZ)向外侧与细胞膜相连。在影响锥虫运动能力的鞭毛蛋白质翻译后修饰研究中,研究者发现伊氏锥虫鞭毛中的大部分蛋白质相对于布氏锥虫高表达或特异表达,比如内臂动力蛋白(IAD5-1, Tb927.7.920)在伊氏锥虫鞭毛中高表达,并发生特异的2-羟基异丁基化修饰,而它的缺失会引起细胞运动的缺陷。同时,伊氏锥虫鞭毛附着区蛋白2 (FAZ2, Tb927.1.4310)多位点发生了磷酸化修饰。两种锥虫鞭毛蛋白质翻译后修饰组学的差异反映了寄生虫运动能力的差异,从而解释了为什么与布氏锥虫相比,伊氏锥虫在受限环境中具有更灵活的外观和更强的运动适应性。

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2.4 蛋白质翻译后修饰调控锥虫的能量代谢

糖酵解途径是血流期锥虫的主要能量代谢途径,研究结果显示,8种类型的蛋白质翻译后修饰在糖酵解途径中被显著富集(图3)。值得注意的是,三种限速酶同时发生了乙酰化和2-羟基异丁酰化,且都在伊氏锥虫中修饰程度更高。此外,研究者发现蛋白质翻译后修饰发生在糖酵解途径酶的关键残基上,从而调控蛋白质活性。例如, ALDO K117能够发生6种类型的蛋白质翻译后修饰,而该位点正是位于酶的活性区域。

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综上所述,研究绘制了布氏锥虫和伊氏锥虫最全面的蛋白质翻译后修饰图谱,揭示了驱动锥虫发育差异的分子机制,为开发防治锥虫病有效药物奠定基础。值得一提的是,这是陈启军教授团队继2019年11月在蛋白质组学Top期刊Molecular & Cellular Proteomics上以封面文章的形式在线发表了迄今为止最全面的弓形虫赖氨酸巴豆酰化和2-羟基异丁酰化修饰图谱后,关于人畜共患病原体修饰蛋白质组学研究又一力作。这也体现了多修饰组学的综合关联分析,能够提供更全面深入的信息数据,为生命过程的阐释提供全新的视角。

参考文献

Naiwen Zhang, et al., Landscapes of Protein Posttranslational Modifications of African Trypanosoma Parasites. iScience.

Deqi Yin, et al., 2019, Global lysine crotonylation and 2-hydroxyisobutyrylation in phenotypically different Toxoplasma gondii parasites. Molecular & Cellular Proteomics.

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