JBC:中科院生化细胞所王恩多研究组发现乙酰化修饰可调控大肠杆
2017年4月28日，国际知名生物化学杂志《Journal of BioLogical Chemistry》在线发表了中国科学院上海生命科学研究院分子细胞科学卓越创新中心/生物化学与细胞生物学研究所王恩多研究组的最新研究成果：“Acetylation of lysine ε-amino groups regulates aminoacyl-tRNA synthetase activity in Escherichia coli”。
氨基酰-trna合成酶(aminoacyl-tRNA synthetase，aaRS)催化氨基酸和对应的tRNA底物之间的酯化反应，生成氨基酰-tRNA (aminoacyl-tRNA，aa-tRNA)，为在核糖体上进行的蛋白质合成提供原料。基于催化结构域和氨基酰化反应在tRNA末端核糖上发生位置的异同，aaRS可以被分为I类和II类两大类。亮氨酰-tRNA合成酶(leucyl-tRNA synthetase，LeuRS)、精氨酰-tRNA合成酶(arginyl-tRNA sythetase，ArgRS)属于I类酶。已有报道表明，一些aaRS的磷酸化修饰可参与大肠杆菌的耐药机制或哺乳动物细胞的氧化应激等信号通路，但是鲜见关于aaRS上其它类型的翻译后修饰(如乙酰化修饰)的深入研究。
蛋白质组学分析表明，来自大肠杆菌(Escherichia coli)到人类(Homo sapiens)的aaRS都具有乙酰化修饰，且一些被鉴定到具有乙酰化修饰的赖氨酸残基是保守的。在王恩多研究员的指导下，博士研究生叶青等人研究了大肠杆菌中aaRS的乙酰化修饰对酶活力带来的影响。他们通过质谱鉴定获得了大肠杆菌体内LeuRS (EcLeuRS)和ArgRS (EcArgRS)乙酰化修饰的位点信息;利用谷氨酰胺(glutamine，Glu)扫描(Glu scanning，模拟具有乙酰化修饰的Lys)发现EcLeuRS上的3个位点(Lys619、Lys624和Lys809)和EcArgRS上的2个位点(Lys126和Lys408)对酶的催化活力具有重要作用;使用pAcKRS系统，获得了定点插入ε-氨基乙酰化的赖氨酸(Nε-acetyl-L-lysine，Ac-Lys)的EcLeuRS和EcArgRS。他们在分析以上乙酰化修饰的酶的性质后，发现以上Lys残基的乙酰化修饰的酶降低了氨基酸的活化活力和酶与对应tRNA之间的亲和力，使酶的氨基酰化活力降低或丧失。此外，他们通过体外实验发现，一种被报道可以在原核细胞中化学修饰乙酰化蛋白质的高能化合物乙酰磷酸(acetyl-phosphate，AcP)和沉默信息调节因子2相关酶(silent information regulator 2-related enzymes，Sirtuin)家族的去乙酰化酶CobB可能参与乙酰化和去乙酰化修饰EcLeuRS和EcArgRS的调节中。以上研究结果揭示了乙酰化修饰对aaRS氨基酰化活力潜在的调节功能，首次提出乙酰化修饰可能作为一种翻译后水平的开关控制aaRS的活力，从而影响蛋白质翻译过程。
AcP和CobB通过调控aaRS的乙酰化和去乙酰化修饰调节它的氨基酰化活力
一定的生理条件下AcP通过上调aaRS的乙酰化水平，关闭酶活性;而乙酰化修饰可通过CobB的去乙酰化使aaRS恢复活性。
原文链接：
Acetylation of Lysine ϵ-amino Groups Regulates Aminoacyl-tRNA Synthetase Activity in Escherichia coli
原文摘要：
Previous proteomic analyses have shown that aminoacyl-tRNA synthetases (aaRSs) in many organisms can be modified by acetylation of lysine (Lys). In this present study, leucyl-tRNA synthetase and arginyl-tRNA synthetase from Escherichia coli (EcLeuRS and EcArgRS) were overexpressed and purified, and found to be acetylated on Lys residues by mass spectrometry (MS). Glutamine (Gln) scanning mutagenesis revealed that Lys619, Lys624 and Lys809 in EcLeuRS and Lys126 and Lys408 in EcArgRS might play important roles in enzyme activity. Furthermore, we utilized a novel protein expression system to obtain enzymes harboring acetylated-Lys (AcK) at specific sites, and investigated their catalytic activity. Acetylation of these Lys residues could affect their aminoacylation activity by influencing amino acid activation and/or the affinity for tRNA. In vitro assays showed that acetyl-phosphate (AcP) nonenzymatically acetylates EcLeuRS and EcArgRS, and suggested the sirtuin class deacetylase CobB might regulate acetylation of these two enzymes. These findings imply a potential regulatory role for Lys acetylation in controlling the activity of aaRSs and thus protein synthesis.
作者：王恩多
