光合作用“开关”，中科院水生所赵进东/葛峰团队报道蓝藻中新型去酰化酶

2020-08-14 04:41:00, 景杰学术杭州景杰生物科技股份有限公司

景杰学术 | 报道

蓝藻是最古老的原核生物，也被认为是研究植物光合作用及能量代谢的理想模型。大量研究表明，许多翻译后修饰（PTM）都对光合作用和代谢途径起调节作用，其中蛋白质酰化被认为是多种细胞过程的中枢调节器。赖氨酸酰基转移酶和去酰化酶是负责调节赖氨酸酰化的两个酶家族。大肠杆菌中鉴定出的CobB酶是目前已知的唯一去丙酰化酶，具有良好的赖氨酸去乙酰化、去丙酰化和去琥珀酸酸化活性，但蓝藻中尚不清楚。

近日，中国科学院水生生物研究所赵进东研究员、葛峰研究员在Plant Physiology（ IF=6.9）上发表论文。该研究利用蛋白质酰化修饰组学，在蓝藻Synechococcus sp. PCC 7002中鉴定出一种新的去乙酰化酶——CddA蛋白酶，该酶同时具有去乙酰化和去丙酰化酶的活性，可以调控蓝藻的光合作用和能量代谢，进而影响其生长速度。此研究结果对赖氨酸去乙酰化酶的鉴定，以及光合生物的光合作用和碳代谢的整体调控机制提供了深入的见解。

1. CddA：一种具有去乙酰化和去丙酰化酶活性的新酶的活性及结构鉴定

该研究首先从蓝藻Synechococcus 7002的基因组中鉴定出5种具有潜在去乙酰化酶活性的酶：A2791、A1628、A1994、A2827、A0319。通过序列比对、荧光分析以及高效液相色谱（HPLC）技术，发现乙酰多胺氨基水解酶（A2791，命名为CddA）表现出高赖氨酸去乙酰化和去丙酰化活性（图1）。

为了探索CddA的催化机理，该研究进一步测定了CddA的晶体结构和突变类型，表明CddA由一个球状畴组成，具有独特的α/β结构（10个平行的β-链和12个α-螺旋），并且其Zn²⁺结合位点——β-片（TELYGEEL）可通过部分覆盖口袋而防止较大的丙酰化赖氨酸基团进入，说明其在识别丙酰化赖氨酸残基中起重要作用。

图1 CddA显示出去乙酰化、去丙酰化酶活性

2. 基因cddA缺失对蓝藻Synechococcus 7002的影响

为了探索CddA在生理学上的重要性，该研究敲除了基因cddA得到ΔCddA突变株（在35kda处无CddA的免疫印迹信号）。研究发现，无论在正常光（NL）、弱光（LL）、强光（HL）或NL光施加甘油和二氯苯基二甲基脲（DCMU）条件下，ΔCddA的生长均比野生型慢得多。当评估最大PSII效率（Fv/Fm）时，发现ΔCddA突变体和野生型在NL条件下表现出相似的效率，而在HL条件下，ΔCddA菌株的效率相对于野生型显著降低（图2）。通过监测P700⁺还原性测量了突变体和野生型的光系统I活性，证实二者的半衰期和占比差异是其主要原因。

图2 基因cddA缺失对蓝藻Synechococcus 7002的影响

3. 丙酰化蛋白的鉴定及其对光合作用和新陈代谢的调节

在证明了丙酰化反应广泛出现于各种光合物种后，该研究评估了氮缺乏条件下蓝藻Synechococcus 7002的丙酰化反应，提示丙酰化反应可能与参与应答氮缺乏和/或氮碳平衡的细胞机制有关。利用抗体富集技术和质谱的结合，该研究在蓝藻Synechococcus 7002中鉴定出了613个独特的丙酰化肽，包含598个丙酰化位点，共代表382个蛋白质，其中约33.8%的蛋白质具有多个丙酰化位点（图3）。

图3 蓝藻Synechococcus 7002中赖氨酸丙酰化分析

KEGG、GO和蛋白质结构域Pfam富集分析表明，丙酰化蛋白主要在代谢和光合作用上富集。其中选择了蓝藻光合作用过程中重要的调控酶F/SBPase的乙酰化、丙酰化肽进行分析，通过免疫印迹和质谱法，证实了CddA可在体内外使F/SBPase去乙酰化和去丙酰化，且F/SBPase酶的活性也降低。作为对比，该研究还发现ΔCddA菌株中F/SBPase的乙酰化和丙酰化水平显著升高，并且与野生型相比该菌株的F/SBPase酶活性也更高（图4）。

图4 CddA可以促进F/SBPase赖氨酸脱乙酰化和去丙酰化

该研究从蓝藻Synechococcus sp. PCC 7002中鉴定到一种高表达的赖氨酸去乙酰化、去丙酰化酶CddA，发现该酶具有独特的折叠α/β结构，且存在一个独特的酰基结合位点TELYGEEL，对去丙酰化酶活性至关重要。之后，通过蛋白质酰化修饰组学，在382个能够进行丙酰化反应的蛋白质中鉴定出598个赖氨酸残基，这些蛋白质高度富集且具有光合和代谢功能。基于对赖氨酸丙酰化的整体分析，研究进一步证明CddA可以在体内和体外催化果糖-1,6-二磷酸酶（F/SBPase）的赖氨酸去乙酰化和去丙酰化。该酶在光合生物体赖氨酸丙酰化调节中具有重要的功能意义。

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