GPB最新报道 | 中科院水生所葛峰团队首次系统揭示蓝藻单甲基化修饰与功能

景杰学术 | 报道

蛋白质赖氨酸甲基化是一种普遍存在且可逆调控的翻译后修饰，通过甲基转移酶催化将单个、两个或者三个甲基基团转移到赖氨酸的ɛ氨基上并可以通过去甲基化酶去除。该修饰在多个领域都发挥至关重要的作用，比如在真核生物中赖氨酸甲基化修饰参与生长信号和DNA损伤应答过程，在细菌中赖氨酸甲基化修饰调控一类蓝藻的细胞运动。

蓝藻是进行光合作用的一大类原核生物，被广泛应用于光合作用和环境适应的研究中。同时，鉴于蓝藻在地球氮、碳循环中的重要作用，它们在全球范围内也具有非常大的经济价值。尽管已经有了很多研究，但是关于蓝藻中甲基化修饰是否广泛存在，以及其调控机制和功能目前还不是很清楚。

2020年10月30日，来自中国科学院水生生物研究所葛峰研究员与景杰生物合作在 Genomics, Proteomics & Bioinformatics (IF=7.051) 上发表了研究论文，针对蓝藻Synechocystis sp. PCC 6803展开了系统的单甲基化修饰组学研究。研究不仅揭示了光合生物中的第一个赖氨酸单甲基化修饰组学图谱，关于单甲基化蛋白功能以及甲基转移酶CpcM的研究也表明，无论蓝藻还是植物中可逆的甲基化修饰调控在代谢过程和光合作用中都发挥重要功能。景杰生物作为合作单位参与到该研究中，并为文中的单甲基化修饰组学提供了技术支持。

首先为了探究光合生物中赖氨酸甲基化的调控程度，研究者利用单甲基化抗体对多种原核以及真核光合生物的细胞裂解液进行检测，结果表明赖氨酸甲基化修饰广泛存在于光和生物中。同时多种培养条件下蓝藻的甲基化修饰发生显著变化也表明甲基化在蓝藻应对环境压力中可能发挥重要功能。进一步研究者对蓝藻Synechocystis sp. PCC 6803展开单甲基化修饰组学研究，共鉴定到270个蛋白上的376个单甲基化位点。以上研究表明，赖氨酸单甲基化修饰在蓝藻中是一种广泛存在并可能发挥重要功能的翻译后修饰。

图1  光合生物中甲基化修饰检测和蓝藻中单甲基化修饰组学研究

接下来通过GO分类和KEGG通路对鉴定到的单甲基化修饰蛋白的功能展开分析，研究者发现单甲基化修饰蛋白主要富集在翻译、蛋白质折叠、糖酵解和其他的碳代谢过程中，这与之前人细胞中甲基化修饰蛋白的功能报道也是一致的。已有的研究表明，无论是蓝藻还是植物中，多种翻译后修饰都参与到光合作用和代谢过程的协同调控中。进一步通过KEGG通路分析发现，多种甲基化蛋白都定位于类囊体膜中，像 PBS (CpcA, CpcB, ApcA, ApcE, and ApcF)，细胞色素b6/f复合物 (PetH, PetF, PetC1, and PetC3)，光系统I组分 (PsaD and PsaC) 和ATP酶复合物 (AtpA, AtpB, and AtpE) 等，提示赖氨酸甲基化修饰可能在光合作用的能量吸收和转移中发挥重要功能。进一步分析显示，赖氨酸单甲基化蛋白广泛参与到糖酵解/糖异生、柠檬酸循环、碳固定和磷酸戊糖途径等代谢过程中。以上研究表明蓝藻中单甲基化修饰蛋白参与到光合作用和代谢过程中。

图2  蓝藻中单甲基化修饰蛋白参与到光合作用和代谢过程中

鉴于甲基化修饰在蓝藻光合作用和代谢过程的重要作用，作者接下来对甲基化修饰调控的甲基转移酶展开研究。通过对蓝藻蛋白的保守结构域进行分析，研究者发现之前报道的一种天冬酰胺甲基转移酶CpcM，包含S-腺苷甲硫氨酸 (SAM) 结合位点并且属于AdoMet MTase超家族，结合结构分析，作者推测CpcM可能在蓝藻中发挥甲基转移酶的功能。通过对cpcM基因敲除并与WT组的整体甲基化水平进行比较，研究者发现敲除组蛋白的整体甲基化水平显著下降。进一步结合后续的质谱分析表明，CpcM可能是蓝藻中潜在的甲基转移酶。

图3  CpcM在蓝藻中发挥甲基转移酶功能

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