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修饰专栏 | 揭开乙酰化修饰的神秘面纱

分类:
阿趣动态
发布时间:
2022/04/20 14:27
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蛋白质乙酰化(acetylation)是最常见的酰化修饰类型。乙酰化是通过KAT(赖氨酸乙酰化酶)将乙酰基从乙酰辅酶A转移到赖氨酸的ε-氨基侧链而产生的,赖氨酸乙酰化是一种动态的翻译后修饰过程并且此过程是可逆的。此外,赖氨酸侧链可以通过乙酰辅酶A(真核生物)和乙酰磷酸(细菌)进行非酶乙酰化,目前13个KATs已得到鉴定,并且其中大多数能被归为三个家族(GCN5,p300和MYST19)。脱乙酰化由NAD+依赖的sirtuin(去乙酰化酶)和Zn2+依赖的去乙酰化酶(KDAC/HDACs)催化 ,人类基因组中共有18个KDACs。

图1. 赖氨酸乙酰化生物过程[1]

Nε-赖氨酸乙酰化是半个多世纪前发现的一种组蛋白翻译后修饰,已在转录调控方面得到广泛研究。在过去的十年中,蛋白质组学分析显示,非组蛋白经常乙酰化,并构成哺乳动物细胞中乙酰组的主要部分。事实上,非组蛋白乙酰化参与与生理和疾病相关的关键细胞过程,如基因转录、DNA损伤修复、细胞分裂、信号转导、蛋白质折叠、自噬和代谢。乙酰化通过多种机制影响蛋白质功能,包括调节蛋白质稳定性、酶活性、亚细胞定位和与其他翻译后修饰的串扰,以及控制蛋白质-蛋白质和蛋白质-DNA相互作用。

图2. 乙酰化生物学功能[2]

3.1 乙酰化对酶的调控

(1)抑制酶的活性:乙酰辅酶A合成酶1和乙酰辅酶A合成酶2分别定位于细胞质基质和线粒体。乙酰化过程会抑制ACSS1和ACSS2的活性。

图3. 乙酰化抑制酶的活性

(2)增强酶的活性:乙酰化酶可以发生自乙酰化,乙酰化的KATs的活性可以得到提高。

图4. 乙酰化增强酶的活性

(3)改变酶-底物特异性:MDM2的Lys182,Lys185位点会被p300乙酰化,使MDM2与去乙酰化酶USP7结合,从而使MDM2的底物p53泛素化。

图5. 乙酰化改变酶-底物特异性

3.2 乙酰化对蛋白互作/亚细胞定位的调节

(1)非组蛋白的乙酰化可以促进或抑制蛋白质-蛋白质相互作用。例如转录因子C-ets-1(ETS1)在其氨基末端的两个残基上的乙酰化可促进其与BRD4的相互作用,并促进RNA聚合酶II(PolII)的释放。转录调节子TWIST(也称为TWIST1)的乙酰化促进其与BRD4的第二个溴多糖的相互作用,而BRD4的第一个溴多糖与乙酰化组蛋白H4相互作用,从而促进包含TWIST、BRD4、PolII的复合物的聚合。

图6. 乙酰化促进蛋白质-蛋白质相互作用

(2)乙酰化调节许多非组蛋白定位。病毒感染触发病毒DNA传感器γ干扰素诱导蛋白16(IFI16)NLS的p300依赖性乙酰化,从而促进其细胞质定位。通过另一种机制,转录因子SOX2的乙酰化促进与核输出机制的关联,导致其重新定位到细胞质中,随后通过泛素-蛋白酶体途径降解。

图7. 乙酰化调节许多非组蛋白定位

3.3 乙酰化与其他修饰的crosstalk

大多数哺乳动物蛋白质被多个PTM修饰,它们可以相互影响,此过程称为PTM串扰。PTM串扰可以整合多种信号。由于赖氨酸的氨基可以进行多种修饰,包括通过乙酰化和其他甲基化、泛素化和类泛素修饰,这可能导致竞争性PTM串扰,不同的PTM竞争修饰相同的赖氨酸残基。蛋白质组学研究表明,大部分乙酰化赖氨酸残基也被其他PTM作用,例如泛素化和琥珀酰化。p53是非组蛋白PTM串扰的典型例子。p53在其赖氨酸残基处的乙酰化直接与泛素化竞争,从而抑制泛素-蛋白酶体依赖性降解。p53的乙酰化可通过含SET结构域的蛋白质7催化的甲基化而增加,蛋白质促进TIP60的募集,从而增强p53 Lys120处的乙酰化。

乙酰化蛋白质组学分析面临着所有蛋白质组学实验面临的相同挑战:复杂性、动态范围和时间动态。蛋白质乙酰化的时间动力学调节细胞信号网络的快速激活和失活,进一步使乙酰化蛋白质组的分析复杂化。质谱法是鉴别蛋白乙酰化位点和定量乙酰化变化的关键工具;蛋白乙酰化的质谱分析的难点主要在于修饰蛋白含量较低、电离较差等。因此富集对于成功的乙酰化肽质谱分析至关重要。目前主要依赖于抗体法进行乙酰化肽段的富集。

图8. 乙酰化修饰蛋白组学技术路线[3]

文章标题:蛋白组学研究发现肺鳞状细胞癌治疗的新靶点[4]

PMID:34358469 Cell 2021 08 05;184(16)

肺鳞状细胞癌(又称肺磷癌,lung squamous cell cancer, LSCC)是一种常见肺癌,约占原发性肺癌的40%~51%。作者通过搜集108例未经治疗的原发性肺鳞状细胞癌的肿瘤组织和对应的癌旁组织进行蛋白基因组学分析,包括磷酸化、乙酰化和泛素化翻译后修饰研究。全面揭示了肺鳞状细胞癌的蛋白组学特征,并发现了肺鳞状细胞癌精准治疗的多个新靶点,具有极为重要的临床指导意义。

图9. 多组学技术路线

图10. 乙酰化修饰位点分析

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参考文献:

[1]Leonie G.Graf, Robert Vogt, Anna-Theresa Blasl,et al. Assays to Study Enzymatic and Non-Enzymatic Protein Lysine Acetylation In Vitro[J]. Curr Protoc 2021 Nov;1(11).

[2]Takeo Narita, Brian T.Weinert and Chunaram Choudhary. Functions and mechanisms of non-histone protein acetylation[J]. Nat Rev Mol Cell Biol 2019 03;20(3).

[3]Birgit Schilling,Jesse G.Meyer,et al.High-Resolution Mass Spectrometry to Identify and Quantify Acetylation Protein Targets[J]. Methods Mol Biol 2019;1983.

[4]Shankha Satpathy,Karsten Krug,Pierre M.Jean Beltranr,et al. A proteogenomic portrait of lung squamous cell carcinoma[J]. Cell 2021 08 05;184(16)

 

文献下载链接:

https://pan.baidu.com/s/1_9XOwycG0SFcS-f5PuCfCg

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