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Analytical Chemistry | 宏修饰组学揭示肠道菌群酰化修饰调控"秘密"

已有 244 次阅读 2021-8-19 14:36 |系统分类:科研笔记

肠道菌群的紊乱与炎症性肠病、代谢紊乱、心血管疾病和神经系统紊乱等疾病发展密切相关。翻译后修饰(PTMs)对调节蛋白质活性极其重要,其功能和调控机制逐渐成为了肠道菌群研究的热点。赖氨酸酰化修饰是一类与代谢调控重要的翻译后修饰,广泛存在于真核生物和原核生物中,调节多种细胞功能。


宏修饰蛋白质组学(Meta-PTMomics)的发展,为功能性微生物组的研究打开了新的篇章。2020年,加拿大渥太华大学的Daniel Figeys团队运用宏乙酰化修饰组学技术,结合宏蛋白质组学,对健康人群和克罗恩病患者肠道菌群进行系统表征研究证实乙酰化在人体肠道菌群的重要代谢途径中广泛存在,并且确定了与克罗恩病相关的宿主来源蛋白和微生物蛋白乙酰化修饰组的改变。研究结果发表在国际著名期刊Nature Communications [1](点击查看详细解读)


近日,Daniel Figeys团队在国际著名期刊analytical chemistry上发表了题为“Exploring the Microbiome-Wide Lysine Acetylation, Succinylation, and Propionylation in Human Gut Microbiota ”的研究论文。研究人员使用基于质谱的宏修饰组学(包括乙酰化、丙酰化、琥珀酰化)对人类肠道菌群样本进行了系统表征。研究发现赖氨酸酰化修饰在人类肠道菌群中广泛存在,不同的赖氨酸酰化修饰水平在具有不同代谢能力的微生物种属中特异分布,表明了宏修饰蛋白组学技术对微生物组物种分布及功能研究的重要价值。


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宏赖氨酸酰化修饰定量

该研究使用串联免疫亲和富集、高分辨率质谱技术和开放的宏蛋白质组数据库搜索策略相结合的分析流程,保证了微生物组PTMs分析的灵敏度、准确性和肽识别数量,同时控制错误发现率(图1 A)。研究在6个人肠道微生物组样品中成功地鉴定到60,957种乙酰化(Kac)、20,914种丙酰化(Kprop)和17,089种琥珀酰化(Ksucc)的修饰肽段(图1 B)


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图1  宏赖氨酸酰化修饰分析的工作流程


赖氨酸酰化蛋白的功能分析

研究发现三种酰化修饰中可能存在共修饰和竞争性修饰。3%富含Kac的肽段同样和Kprop 肽重叠,超过50%的Kprop和Ksucc肽中同时包含乙酰化修饰,6.5%的肽可同时被三种酰化修饰(图2 A)。有10个肽同时发生三种酰化修饰,这些肽段均是来自糖酵解代谢途径和短链脂肪酸SCFA的产生过程中的蛋白激酶,如PCK、PGK、PGDH、PFK、MUT等(图2 B)。总之,结果表明赖氨酸酰化修饰在人类肠道菌群中广泛存在,并且可能相互交叉,特别是在糖酵解代谢途径和SCFA的产生中。

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图2 赖氨酸酰化修饰在人类肠道菌群中的分布


赖氨酸酰化蛋白分类特征

进一步生信分析揭示了人类肠道菌群赖氨酸酰化蛋白的分类特征,揭示了人类肠道菌群中不同赖氨酸酰化类型的特异性分布特征。对所有已鉴定的Kac、Kprop或Ksucc肽进行的分类分析(Taxonomic analyses )显示,在肠道菌群中大多数赖氨酸酰化肽来自厚壁菌和拟杆菌。且Ksucc更特异性分布在拟杆菌中(相比厚壁菌而言),物种间分布特异性比Kac和Kprop肽更显著(图2 E和F)。属级成分分析(Genus-level composition analyses)表明,拟杆菌属的两个属BacteroidesPrevotella是琥珀酰化Ksucc宏修饰组层面的优势属。Ksucc宏修饰组中厚壁菌属Faeccalibacter的比重明显低于Kprop-和Kac修饰组。说明人类肠道中的琥珀酸产生菌广泛分布在类杆菌门中(图2G)


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图3 赖氨酸酰化蛋白的功能和分类特征


总之,该研究报道了基于质谱的宏修饰组学方法(包括乙酰化、丙酰化、琥珀酰化),实现了对人类肠道菌群样本的系统表征。结果表明赖氨酸酰化广泛存在肠道菌群中,特别是在糖酵解代谢途径和SCFA的产生过程中,并且可能通过Crosstalk实现复杂的调控进程。此外,大多数赖氨酸酰化肽段来自微生物群中的厚壁菌和拟杆菌,不同的赖氨酸酰化修饰水平在具有不同代谢能力的微生物物种中特异分布。


研究表明了宏修饰蛋白组学技术对微生物组物种分布及功能研究的重要价值,为更深入的肠道菌群调控疾病机制研究奠定了基础。进一步研究健康和疾病个体的赖氨酸酰化特异性代谢酶的丰度改变和/或相互作用,将提供更多关于肠道菌群代谢调控的见解,有助于理解复杂宿主的机制−微生物组间相互作用。


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参考文献:

[1]  Xu Zhang, et al., 2020. Widespread protein lysine acetylation in gut microbiomeand its alterations in patients with Crohn’s disease. Nature Communications.

[2] Xu Zhang, et al., 2021, Exploring the Microbiome-Wide Lysine Acetylation, Succinylation,and Propionylation in Human Gut Microbiota. Anal. Chem.




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