蛋白质修饰是细胞内信号转导的核心机制。传统观点认为，蛋白质修饰发生在翻译完成后，即翻译后修饰(post-translational modification，PTM)，该过程依赖于蛋白质表面氨基酸残基与催化酶的物理相互作用。然而，仍存在一些修饰现象无法以PTM机制来解释，如发生在蛋白质结构内部的PTM不可及修饰位点。因此，生物体内可能存在其他的修饰机制与PTM共同调控蛋白质修饰图谱。
华中科技大学王玉刚课题组和郭雨松课题组合作发现并解释了哺乳动物细胞中蛋白质乙酰化修饰的新模式：赖氨酰tRNA合成酶（KARS）介导乙酰赖氨酸（AcK）直接参与蛋白质翻译过程，产生带有乙酰化修饰的新生蛋白质，调控哺乳动物细胞的蛋白质乙酰化修饰图谱，该修饰模式与PTM机制有本质不同。该项工作主要由郭丁源博士、李楠博士和张小燕博士共同完成。
由于食物中含有大量的乙酰化蛋白质，研究者提出猜想：食物蛋白中的乙酰化赖氨酸残基是否会以乙酰赖氨酸的形式被吸收进入机体内，摄食乙酰化的食物蛋白是否会以某些机制影响摄食者的乙酰化图谱。为探究上述问题，作者首先化学合成了氘标记的乙酰化大豆蛋白，给小鼠摄食后，在小鼠血清中检测到食物来源的氘标记的乙酰赖氨酸，说明乙酰化修饰的食物蛋白是摄食者体内乙酰赖氨酸的直接来源（图1A）。同时发现，小鼠在摄食乙酰化的食物蛋白后，其肝、脑和肺等多种组织的蛋白质乙酰化修饰图谱发生变化（图1B）。为了进一步探究乙酰赖氨酸影响哺乳动物细胞乙酰化修饰图谱的方式，作者用稳定同位素标记哺乳动物细胞蛋白质组中的赖氨酸（13C6,15N2-lysine），并用氘标记的乙酰赖氨酸（d3-AcK）处理13C6,15N2-lysine标记的细胞，通过高分辨质谱检测蛋白质乙酰化组的同位素组合，发现有215个氘标记的乙酰化修饰位点，且这些被修饰的赖氨酸残基是非同位素标记的（d3-acetyl-12C6,14N2-lysine），这提示乙酰赖氨酸可能直接参与到哺乳动物细胞蛋白质合成过程（图1C）。
图1：食物蛋白中的乙酰赖氨酸直接参与摄食者蛋白质合成过程。A，在摄食乙酰化大豆蛋白后的小鼠血清中检测乙酰赖氨酸。B，高分辨质谱鉴定摄食乙酰化大豆蛋白后的小鼠肝、脑和肺组织中的乙酰化组。C，高分辨质谱鉴定d3-AcK处理13C6,15N2-lysine标记细胞后的乙酰化组。
为进一步探究乙酰赖氨酸参与蛋白质合成的机制，作者发现赖氨酰tRNA合成酶（KARS），介导赖氨酸参与蛋白质翻译过程的关键酶，能够将乙酰赖氨酸“误认为”底物，催化产生乙酰赖氨酰tRNA，后者将乙酰赖氨酸直接插入正在延伸的新生多肽链，产生带有乙酰化修饰的新生蛋白（图2A,B）。作者将这种在蛋白质翻译过程中引入蛋白质修饰基团的方式命名为蛋白质共翻译修饰（co-translational modification, coTM）。此外，作者用结构生物学手段，解析了KARS与乙酰赖氨酸的共晶体结构，发现KARS与乙酰赖氨酸的底物结合口袋和赖氨酸的相似，在乙酰赖氨酸的作用下，KARS第499位酪氨酸侧链翻转，以容纳赖氨酸ε-NH3端的乙酰基团。该结果进一步阐明了 KARS介导蛋白质共翻译修饰的分子基础（图2C）。
图2：KARS介导乙酰赖氨酸参与蛋白质共翻译修饰的机制。A，Northern blot鉴定由KARS催化乙酰赖氨酸产生的乙酰赖氨酰tRNA。B，无细胞蛋白质合成体系检测乙酰赖氨酸直接参与蛋白质合成。C，结构生物学解析KARS与乙酰赖氨酸共晶体结构。
蛋白质共翻译修饰不依赖于修饰酶与底物蛋白质之间的相互作用，发生在新生多肽链合成阶段，形成于被修饰蛋白空间结构折叠之前，其修饰位点不受限于蛋白质结构表面。因此，作者在多种蛋白质结构内部鉴定到coTM介导的赖氨酸乙酰化修饰，以代谢酶ALDH1A1和IDH1为例，发现coTM介导的结构内部乙酰化修饰对其稳定性与活性有显著影响（图3A,B）。
图3：蛋白质共翻译修饰（coTM）介导的蛋白质结构内部乙酰化修饰影响蛋白质稳定性和活性。A，coTM介导的ALDH1A1和IDH1结构内部的乙酰化修饰影响蛋白质生物活性。B，coTM介导的ALDH1A1和IDH1结构内部的乙酰化修饰影响蛋白质稳定性。
自蛋白质修饰现象被发现以来，蛋白质翻译后修饰（post-translational modification, PTM）一直被认为是生命体内“唯一”的酶催化的修饰模式。本研究发现并解释了哺乳动物细胞中蛋白质共翻译修饰（co-translational modification, coTM）的现象和机制，与目前学界已知的PTM机制在修饰模式上有本质区别（图4）。细胞内coTM与PTM所产生的蛋白质乙酰化修饰在化学性质上一致，它们密切互作，共同参与细胞稳态的维持。coTM的发现丰富了学界关于哺乳动物细胞内蛋白质修饰机制类型的认识，将学界关于蛋白质修饰发生阶段的认识由翻译完成后拓展到翻译过程中，将蛋白质修饰发生的位点由蛋白质表面拓展到蛋白质结构内部，丰富了蛋白质修饰图谱，为进一步理解蛋白质修饰图谱与细胞稳态维持的互作规律提供新的理论。
图4：蛋白质共翻译修饰（coTM）的产生机制。食物来源的乙酰赖氨酸，经外周血循环进入到细胞内，被赖氨酰tRNA合成酶“误认为”底物，催化合成乙酰赖氨酰tRNA，后者将乙酰赖氨酸直接插入正在延伸的新生多肽链，在蛋白质翻译过程中产生乙酰化修饰。
WILEY
论文信息：
Co-Translational Deposition of N6-Acetyl-L-Lysine in Nascent Proteins Contributes to the Acetylome in Mammalian Cells
Dingyuan Guo#, Nan Li#, Xiaoyan Zhang#, Runxin Zhou, Jie He, Xiao-Ping Ding, Weixing Yu, Fuqiang Tong, Sibi Yin, Yu Wang, Xin Xu, Long Wang, Mingzhu Fan, Shan Feng, Ke Liu, Ke Tang, Zhuqing Ouyang, Yusong R Guo*, Yugang Wang*
Advanced Science
DOI:10.1002/advs.202403309
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