Nat Commun | 华中科大薛宇/张珞颖团队小样本学习揭示丙酰化修饰介导蛋白稳态

2023-05-31 15:37:23, 景杰生物杭州景杰生物科技股份有限公司

景杰生物 | 报道

在真核细胞中，维持蛋白质稳态对于细胞发挥正常功能十分重要。研究表明，有超过2000种蛋白质参与调控蛋白质稳态。蛋白质稳态网络通过在时间以及空间上调节蛋白质合成、折叠、构象、降解等，最终影响蛋白质的丰度以及活性。蛋白质稳态受到生理、代谢和环境刺激的影响，与神经退行性疾病、代谢紊乱、心血管疾病以及肿瘤等疾病高度相关。

蛋白质翻译后修饰如磷酸化、乙酰化等与蛋白质稳态调节密切相关。如2020年华中科技大学生命科学与技术学院张珞颖教授和薛宇教授团队在Nature Communications发表文章报道了蛋白质磷酸化修饰对昼夜节律调控的重要作用[1]。丙酰化修饰作为一种研究较少的修饰类型，目前丙酰化修饰的生理作用在很大程度上仍是未知的。丙酰辅酶A作为丙酰化修饰的前体物质，是氨基酸、脂肪酸代谢产生的中间体，通过介导丙酰化修饰参与调节代谢过程，但是目前尚不清楚丙酰化修饰是否会参与调节蛋白质稳态。

2023年5月17，华中科技大学生命科学与技术学院的薛宇团队和张珞颖团队在Nature Communications合作发表了题为“Small-sample learning reveals propionylation in determining global protein homeostasis”的研究论文[2]。研究者对果蝇头部组织进行了丙酰化修饰组学检测，并开发了KprFunc算法对修饰组学数据进行分析。研究揭示进食周期会以生物钟依赖的方式影响H2BK17pr水平，进而调节泛素-蛋白酶体系统基因表达最终调控蛋白稳态。景杰生物为该研究提供了丙酰化修饰组学以及组蛋白位点特异性丙酰化修饰抗体技术支持。

1 不同时间点果蝇头部组织丙酰化修饰组学分析

为了研究丙酰化修饰所发挥的生理功能，研究者在四个时间节点收集了野生型果蝇（WT）的头部组织以及两个不同时间节点生物钟周期突变体果蝇（per⁰）的头部组织。对上述所有样本进行了TMT标记丙酰化修饰组学检测。研究者共鉴定到330种丙酰化修饰肽段，并在171种蛋白质中鉴定到344个丙酰化修饰位点。

图1 果蝇头部丙酰化修饰组学分析

2 小样本学习预测Kpr位点功能

不同的蛋白质翻译后修饰位点对于生物过程的影响程度不同，找到具有重要功能的关键修饰位点对于翻译后修饰的机制研究至关重要。相较于广泛的磷酸化和乙酰化PTM研究，丙酰化修饰的相关报道较少，这也导致了已知的丙酰化修饰位点及其功能较少，限制了对其潜在重要功能的前沿探索研究。为了解决这一难题，研究者开发了KprFunc小样本数据学习框架预测不同修饰位点的功能。研究者首先将丙酰化修饰组学数据与之前报道的Kpr位点进行整合，形成基准数据集，包括890种蛋白的1707个Kpr位点。后续，研究者基于位置权重（PWD）以及评分矩阵优化（SMO）方法将Kpr位点周围序列嵌入到一维向量进行分析。基于KprFunc，研究者从丙酰组学数据中预测了29个可能存在重要功能的Kpr位点。

图2 KprFunc 的小样本学习框架和性能

3 进食周期驱动的保守的H2BK17pr位点

H2BK17pr是被预测功能最强的位点之一，且存在显著的时间变化。通过进化分析，发现HBK17pr位点存在进化保守性。研究者进一步生成了该位点特异性的丙酰化修饰抗体证明H2BK17位点发生了丙酰化修饰。

由于丙酰辅酶A是氨基酸、脂肪酸分解代谢的中间产物，而进食周期对细胞代谢和生理功能存在重要调节作用。因此研究者进一步探索了饮食周期对丙酰化修饰的影响。研究者对果蝇进行了限时饮食（TRF），与随意饮食（AL）进行对比，喂养周期会导致H2BK17位点出现有节律的丙酰化修饰/去丙酰化修饰，表明该位点的丙酰化修饰可能受生物钟的影响。

4 H2BK17pr调节蛋白质稳态

为进一步研究H2BK17pr的生理功能，研究者构建了H2BK17位点突变果蝇（H2BK17A）并进行了系列实验。研究者发现，H2BK17A果蝇的总蛋白水平显著增加，表明H2BK17A改变了蛋白质稳态。为了验证H2BK17A果蝇中总蛋白水平的增加是由该位点的丙酰化修饰不足引起，研究者用丙酸盐处理S2细胞（丙酸盐可以增加H2BK17pr），发现总蛋白水平呈剂量依赖性降低。研究者进一步探索了H2BK23pr（H2BK17pr等效位点）对蛋白质稳态的影响，并通过检测发现丙酸盐处理提高了H2BK23pr水平。上述实验结果表明，H2B丙酰化存在进化保守性，而且对维持蛋白质稳态具有重要作用。

图3 H2BK17pr调节蛋白质稳态

5 H2BK17pr通过UPS调节蛋白质稳态

为了研究H2BK17pr调节蛋白质稳态的潜在机制，研究者对WT和H2BK17A果蝇进行自由饮食以及限制饮食实验，并每隔3小时收集果蝇头部组织进行转录组学检测。通过数据分析，研究者在AL或TRF条件下分别在H2BK17A和WT果蝇中鉴定了2458和2715个差异表达基因，发现共有1558个基因参与蛋白质稳态网络调节，表明H2BK17pr在不同生理条件下对蛋白质稳态具有重要作用。

研究者检测了泛素化修饰水平以及自噬标志物-ATG8A-I/ATG8A-II比例探索蛋白质稳态如何影响H2BK17A果蝇蛋白质水平增加。结果表明，H2BK17A果蝇的泛素化显著降低，与总蛋白水平增加一致。ATG8A-I/ATG8A-II比例没有显著变化，表明H2BK17A 基本上不影响自噬。上述实验结果表明H2BK17pr通过调节泛素-蛋白酶体系统（UPS）基因的表达来调节总蛋白水平。通过丙酸盐处理S2细胞增加H2BK17pr，检测mRNA水平降低的6个基因以及mRNA水平升高的2个基因，研究者发现大多数泛素-蛋白酶体系统差异表达基因确实受到H2BK17pr的影响。

图4 H2BK17pr通过调节UPS基因影响全局蛋白质水平

6 H2BK17pr潜在调控机制

据之前的研究报道，蛋白质丙酰化修饰受到赖氨酸乙酰转移酶（KAT）和赖氨酸脱乙酰酶（KDAC）控制，果蝇体内有5种已知的KAT和10种已知的KDAC，因此研究者进一步探索了参与调节H2BK17丙酰化的酶。通过使用酶的药理学抑制剂处理S2细胞，并检查了H2BK17pr水平的变化，研究者发现HDAC1和/或HDAC2是H2BK17pr的丙酰化去修饰酶，p300/CBP是H2BK17pr的丙酰化修饰转移酶。

图5 H2BK17pr的潜在调控机制

综上所述，该研究利用丙酰化修饰组学技术发现了动态的Kpr图谱，并利用小样本学习框架-KprFunc确定了H2BK17pr修饰位点在进化上十分保守且具有重要的生物学功能。研究者揭示了H2BK17pr的调节机制以及生理功能：进食周期以生物钟依赖的方式影响H2BK17pr水平，进而调节泛素-蛋白酶体系统基因表达，该研究揭示了丙酰化修饰对蛋白质稳态的潜在调控机制。此外该研究也是首次运用小样本学习进行新的生物学发现，极大地提高了科研人员解决“小而偏”问题的可能性。

薛宇教授和张珞颖教授为本论文的共同通讯作者；税珂博士和王晨玮博士为论文共同第一作者。上海科技大学生命科学与技术学院的高冠军教授、中科院大连化学物理研究所的叶明亮研究员和华中科技大学生命科学与技术学院的郭安源教授为论文的共同作者。