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琥珀酰化修饰研究再获突破,深入揭示琥珀酰化修饰在水稻种子发育中的调控机制

发布时间: 2019-10-31
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蛋白质翻译后修饰(PTM)在细胞进程调控中扮演至关重要的角色,通过改变蛋白质的性质,如结构、稳定性、复杂的形成或酶活性而发挥作用。蛋白质中的20种氨基酸,赖氨酸是最常见的共价修饰的目标之一,可发生诸如泛素化,乙酰化,丙酰化,丙二酰化,巴豆酰化等修饰。通过这些修饰,含有赖氨酸的蛋白调控作用被大大拓宽。

近日,来自密西西比州立大学的彭兆华团队以及来自江苏省农科院粮食作物研究所的王才林团队联合在国际知名期刊Molecular & cellular proteomics上发表题为Comprehensive analysis of the lysine succinylome and protein comodifications in developing rice seeds的研究文章。研究者利用系统生物学手段,应用基于质谱的蛋白质翻译后修饰组学研究思路,全面分析了不同发育时期水稻种子的琥珀酰化修饰水平并通过生物信息学分析了琥珀酰化修饰与种子关键调控通路的关联。景杰生物为该研究的蛋白质琥珀酰化修饰检测提供了技术支持。

琥珀酰化修饰研究再获突破,深入揭示琥珀酰化修饰在水稻种子发育中的调控机制

在本篇文章中,研究者关注到粮食作物水稻种子的发育过程中的琥珀酰化修饰。研究者首先应用琥珀酰化修饰泛抗体(PTM-401)对不同的水稻组织进行Western Blot检测,发现包括不同发育阶段的种子、根、叶、花等组织和器官中均检测到蛋白琥珀酰化修饰的条带(图1)。

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图1:水稻不同组织器官蛋白琥珀酰化修饰的Western blot结果

琥珀酰化修饰底物是琥珀酰辅酶A,通过梯度添加外源性添加琥珀酰辅酶A的非酶促琥珀酰化反应,并通过Western Blot检测比较非酶促琥珀酰化修饰与内源性琥珀酰化修饰水平,研究者粗略计算出在发育的水稻种子中,琥珀酰化修饰占比大约在2%-10%(图2)。

琥珀酰化修饰研究再获突破,深入揭示琥珀酰化修饰在水稻种子发育中的调控机制

图2:琥珀酰化水平比较

随后,为了准确的分析发育的水稻种子中琥珀酰化修饰的蛋白和位点,研究者对15天发育期的水稻种子进行蛋白提取,并在蛋白酶解后应用琥珀酰化修饰抗体偶联树脂(PTM-402)对琥珀酰化修饰的多肽进行特异性富集,并通过质谱对修饰多肽进行鉴定。在本项工作中,研究者共鉴定到347个蛋白上共854个琥珀酰化修饰位点。同时,研究者也针对近年的琥珀酰化修饰文章进行汇总,比较了不同物种的研究中琥珀酰化的修饰水平(图3)。

琥珀酰化修饰研究再获突破,深入揭示琥珀酰化修饰在水稻种子发育中的调控机制

图3:不同物种中所报道的琥珀酰化修饰水平

针对本次实验中鉴定到的琥珀酰化修饰位点,研究者进行了大量的生物信息学分析,发现琥珀酰化修饰的蛋白在应激响应、能量代谢、贮存蛋白等功能或通路中存在显著富集。通过比较巴豆酰化、乙酰化、丙二酰化、2-羟基异丁酰化等酰化修饰与琥珀酰化在水稻发育种子中的分布比较,研究者针对中央能量代谢通路(TCA循环等)进行了针对性的分析,总结了以上几种酰化修饰在能量代谢通路上的存在情况。数据表明,TCA循环所产生的琥珀酰辅酶A是琥珀酰化修饰的主要供体来源,并且在淀粉合成通路中存在大量的琥珀酰化修饰以及其他酰化修饰,证明了琥珀酰化修饰在种子发育淀粉合成中的重要性。

琥珀酰化修饰研究再获突破,深入揭示琥珀酰化修饰在水稻种子发育中的调控机制

图4:关键能量代谢通路中的酰化修饰

综上,琥珀酰化修饰的重要性日益被不同领域的研究者揭示,无论是真核生物还是原核生物均有不少工作报道了数以千计的琥珀酰化修饰蛋白。本篇文章在水稻种子发育中的研究对于揭示琥珀酰化这种“年轻”的蛋白质翻译后修饰对于粮食作物的生长发育的重要性,对于未来粮食作物的育种提供了新的思路。

参考文献:

Meng X, et al., 2019, Comprehensive analysis of the lysine succinylome and protein co-modifications in developing rice seeds. Mol Cell Proteomics.


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