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EES | 华中农业大学首次报道琥珀酰化在昆虫趋光行为中重要作用

已有 209 次阅读 2021-9-6 13:08 |系统分类:科研笔记

昆虫是陆地和淡水食物网的重要组成部分,具有重要的生态作用。随着夜间光照水平在全球范围内的持续升高以及昆虫多样性的急剧下降,人们越来越关注夜间人造光(artificial light at night,ALAN)对昆虫的影响,其中“飞蛾扑火”(趋光行为)被认为是昆虫种群消退的原因之一。已有研究发现ALAN提高了趋光昆虫的氧化应激水平,而赖氨酸琥珀酰化修饰(lysine succinylation,Ksuc)已经在肿瘤细胞[1]、小鼠[2]、水稻[3]中被发现与氧化胁迫相关。研究者认为琥珀酰化修饰可能参与了趋光昆虫对ALAN的胁迫响应。 


近日,华中农业大学植物科学技术学院雷朝亮教授团队在环境科学与生态学领域Top期刊《Ecotoxicology and Environmental Safety》发表了题为"Potential role of lysine succinylation in the response of moths to artificial light at night stress"的研究文章。该研究运用琥珀酰化修饰组学技术,发现Ksuc可能通过干预趋光昆虫抗氧化系统、能量代谢系统、神经肌肉系统来影响昆虫的运动能力,从而介导趋光昆虫对ALAN的胁迫响应。景杰生物为该研究琥珀酰化组学研究提供了技术支持。

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研究人员首先运用TMT标记的琥珀酰化修饰组学技术(质谱策,从ALAN处理的趋光粘虫Mythimna separata (Walker)(鳞翅目夜蛾科,趋光昆虫)(样本策略)中鉴定出466个蛋白上共748个Ksuc修饰位点。其中,103个蛋白的137个修饰位点响应ALAN显著下调,3个蛋白的7个修饰位点响应ALAN显著上调。亚细胞定位分析表明,Ksuc修饰蛋白主要分布于细胞质和线粒体,暗示Ksuc蛋白可能与细胞代谢相关(图1)


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图1 ALAN胁迫昆虫琥珀酰化修饰蛋白鉴定


基于GO、结构域、KEGG注释的富集分析表明,ALAN条件下,显著下调/上调的Ksuc蛋白主要富集于氧化还原过程、细胞骨架、蛋白质互作、酶活力、钙相关分子、代谢相关的分子事件中,并进一步揭示趋光粘虫Ksuc蛋白可能通过抗氧化系统、神经肌肉系统、代谢系统等机制响应ALAN胁迫。


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图2 响应ALAN显著下调/上调Ksuc蛋白富集分析


01 琥珀酰化调控能量代谢过程

昆虫趋光行为是在光刺激下产生的定向飞行,昆虫在起飞几秒后就可以达到很高的代谢率。昆虫如何实现高代谢的快速开启、如何使代谢酶从“静息”状态迅速激活,是研究者非常关注的。经典的“基质调控”理论认为这是由肌肉收缩时释放的Ca2+和ATP分解以及产生ADP、AMP和Pi等基质变化启动的。但研究表明这些变化的量不足以支持代谢率的大幅提高。已有许多研究证明琥珀酰化修饰水平影响酶活力。研究证实了趋光粘虫Ksuc蛋白广泛参与能量代谢过程,包括TCA循环、糖酵解、氧化磷酸化、脂肪酸代谢、氨基酸合成(图3)。作者认为琥珀酰化修饰就像一个“总开关”,可能通过广泛调控代谢酶活力实现昆虫高代谢率的开启。


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图3 趋光粘虫Ksuc蛋白在代谢系统的富集


02琥珀酰化调控神经肌肉系统

在小鼠中的研究表明夜间弱光暴露与神经变性相关。因此作者推测Ksuc参与ALAN对神经系统的作用。富集分析表明趋光粘虫Ksuc蛋白参与肌肉神经过程,包括谷氨酸介导的神经传导过程和肌肉收缩过程(图4)。肌肉收缩相关蛋白的乙酰化水平影响果蝇肌肉结构功能以及飞行能力,而琥珀酰化修饰对蛋白结构的改变程度更高,Ksuc很有可能在昆虫肌肉收缩中起重要的调控作用。

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图4 趋光粘虫Ksuc蛋白在神经肌肉系统的富集

03 琥珀酰化参与抗氧化过程

趋光粘虫Ksuc蛋白参与抗氧化过程,包括GSH抗氧化系统和Trx抗氧化系统(图5)。这些抗氧化系统的还原当量由G6PD、IDH等代谢酶还原NADP生成NADPH来提供。这些代谢酶也被发现具有Ksuc位点并响应ALAN下调。作者认为Ksuc可能通过协调代谢系统和抗氧化系统参与昆虫对ALAN胁迫的响应。

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图5 趋光粘虫Ksuc蛋白在抗氧化系统的富集

总的来说,琥珀酰化修饰已经在肿瘤细胞、小鼠、水稻中被发现与氧化胁迫相关,但在昆虫中研究较少。该研究运用琥珀酰化修饰组学,首次报道了琥珀酰化修饰介导的趋光昆虫对ALAN的胁迫响应Ksuc通过协调神经传导和肌肉收缩以及其中的代谢、抗氧化过程,参与昆虫运动能力的调控,从而介导趋光昆虫对ALAN的响应,扩展了我们对琥珀酰化修饰组学生物学功能的认识。

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图6 Ksuc在粘虫响应ALAN中的作用


参考文献:
1. Yingying Tong, et al., 2021. SUCLA2-coupled regulation of GLS succinylation and activity counteracts oxidative stress in tumor cells. Molecular Cell.
2. Zhou, L.S., et al., 2016. SIRT5 promotes IDH2 desuccinylation and G6PD deglutarylation to enhance cellular antioxidant defense. EMBO Rep.
3. Zhou H, et al., 2017, Oxidative stress-triggered interactions between the succinyl- and acetyl-proteomes of rice leaves. Plant Cell Environ.
4. Zhijuan Huang, et al., 2021, Potential role of lysine succinylation in the response of moths to artificial light at night stress. Ecotoxicology and Environmental Safety.



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