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賴氨酸的甲基化修飾是一種廣泛存在的蛋白質(zhì)翻譯后修飾方式，該修飾是以S-腺苷甲硫氨酸(SAM)為甲基供體，在甲基轉(zhuǎn)移酶的催化下，將甲基基團(tuán)轉(zhuǎn)移至賴氨酸ε-氨基上，形成甲基化的賴氨酸。甲基化修飾并不改變氨基酸的電荷狀態(tài)，但甲基化殘基的體積和疏水性增加會影響蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用和蛋白質(zhì)識別，從而在細(xì)胞代謝等眾多生物學(xué)過程中發(fā)揮重要的調(diào)控作用。雖然賴氨酸甲基化修飾與甲基轉(zhuǎn)移酶最早都是在原核生物中被發(fā)現(xiàn)的，但是目前對于藍(lán)細(xì)菌中的甲基轉(zhuǎn)移酶仍知之甚少，發(fā)現(xiàn)并鑒定新的甲基轉(zhuǎn)移酶及其作用底物將有助于對甲基化修飾的功能及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)更全面、深入的理解。
中國科學(xué)院水生生物研究所葛峰團(tuán)隊(duì)前期在藍(lán)細(xì)菌中鑒定到270個甲基化修飾蛋白，這些蛋白在光合作用以及能量代謝通路中廣泛分布（Genomics Proteomics Bioinformatics，2020:S1672-0229(18) 30224-9），但在藍(lán)細(xì)菌中仍然缺乏對甲基轉(zhuǎn)移酶的系統(tǒng)鑒定和功能研究。近期，該研究團(tuán)隊(duì)對藍(lán)細(xì)菌Synechocystis sp. PCC 6803中所有可能的甲基轉(zhuǎn)移酶進(jìn)行系統(tǒng)鑒定，通過體外甲基化反應(yīng)并結(jié)合構(gòu)建敲除株后的表型結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了一個新的賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶cKMT1，該基因敲除后導(dǎo)致藍(lán)細(xì)菌的光合作用過程受到顯著影響，提示cKMT1調(diào)控的底物蛋白甲基化修飾可能參與了藍(lán)細(xì)菌的光合作用進(jìn)程（圖1）。
圖1. 藍(lán)細(xì)菌中甲基轉(zhuǎn)移酶的鑒定與功能研究
為了揭示藍(lán)細(xì)菌甲基轉(zhuǎn)移酶cKMT1的功能作用機(jī)制，該研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用了最新的4D非標(biāo)記定量蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)，系統(tǒng)鑒定到58個cKMT1調(diào)控的內(nèi)源性靶標(biāo)蛋白，包括藻膽蛋白、光系統(tǒng)II、光系統(tǒng)I、電子傳遞鏈的核心蛋白等，它們廣泛的參與了光合系統(tǒng)的能量傳遞和轉(zhuǎn)化進(jìn)程（圖2）。
圖2. cKMT1調(diào)控的內(nèi)源性靶標(biāo)蛋白鑒定
進(jìn)一步功能實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，cKMT1能夠與鐵氧還蛋白(FNR)相互作用，并能夠催化FNR的139位賴氨酸三甲基化和208位賴氨酸單甲基化修飾?；诮Y(jié)構(gòu)模擬、分子對接以及動力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，cKMT1的118位的組氨酸和第219位的酪氨酸能夠與甲基化供體SAM形成穩(wěn)定的氫鍵；通過點(diǎn)突變實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這兩個位點(diǎn)對維持cKMT1蛋白酶活性方面發(fā)揮重要作用（圖3）。
圖3. cKMT1催化FNR甲基化修飾
該研究還發(fā)現(xiàn)cKMT1通過催化FNR蛋白139位賴氨酸甲基化修飾，改變FNR的氧化還原酶活性，并影響光合電子傳遞過程，揭示了cKMT1調(diào)控底物蛋白的甲基化修飾并發(fā)揮功能的作用機(jī)制（圖4）。該研究首次完成了藍(lán)細(xì)菌中甲基轉(zhuǎn)移酶的系統(tǒng)鑒定并發(fā)現(xiàn)了一個全新的甲基轉(zhuǎn)移酶cKMT1，闡明了cKMT1在藍(lán)細(xì)菌中的功能與調(diào)控機(jī)制，提出了甲基轉(zhuǎn)移酶通過調(diào)控底物蛋白的甲基化修飾從而影響光合作用過程的機(jī)理，為闡明藍(lán)細(xì)菌的蛋白質(zhì)翻譯后修飾系統(tǒng)在光合作用過程中的功能及其分子調(diào)控機(jī)制打下了基礎(chǔ)。
圖4. cKMT1調(diào)控底物蛋白的甲基化修飾并發(fā)揮功能的作用機(jī)制
研究成果“cKMT1 is a new lysine methyltransferase that methylates the ferredoxin-NADP(+) oxidoreductase (FNR) and regulates energy transfer in cyanobacteria”在線發(fā)表于國際專業(yè)雜志Molecular & Cellular Proteomics，水生所博士生曹高祥為該論文的第一作者，葛峰研究員和楊明坤高級實(shí)驗(yàn)師為論文通訊作者。該研究得到自然科學(xué)基金，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，中國博士后科學(xué)基金和淡水生態(tài)與生物技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目的資助。
文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1535947623000312?via%3Dihub