北京大学王初课题组发展沙门氏菌中的衣康酸修饰组学鉴定新方法

　　近日，北京大学化学与分子工程学院、北大-清华生命科学联合中心王初课题组在Chemical Science上杂志上发表了题为“Chemoproteomicprofiling of itaconations in Salmonella”的论文，并且被选为“Pick of the week”文章。在这项工作中，研究学者发展了新型衣康酸修饰化学探针工具，并结合定量化学蛋白质组学技术，首次实现了在病原微生物沙门氏菌中衣康酸修饰位点的大规模直接鉴定，并且进一步揭示了衣康酸通过共价修饰关键代谢蛋白从而对细菌生长过程的抑制作用。

　　衣康酸是近些年来被发现具有显著抗炎抗菌活性的代谢物分子，它在病原菌侵染或者脂多糖刺激的炎症巨噬细胞中会大量产生，浓度可达到毫摩级别，并广泛参与到抗炎信号通路中。由于衣康酸具有共轭不饱和双键结构，它可以通过迈克尔加成反应共价修饰蛋白质中的半胱氨酸残基，通过影响底物蛋白的活性和功能从而调节宿主炎症反应过程。因此衣康酸修饰蛋白的大规模鉴定对理解其炎症和抗菌调节机理具有重要的意义。在宿主巨噬细胞层面，此前王初课题组分别发展了基于非天然糖的竞争性探针和生物正交的衣康酸探针，并结合定量化学蛋白质组学技术对炎症巨噬细胞中的衣康酸修饰进行系统的分析，揭示了衣康酸可以修饰ALDOA，LDHA、GAPDH和RIPK3等蛋白，调节糖酵解和细胞坏死等通路。这些研究为理解衣康酸在巨噬细胞炎症反应中的作用机制提供了丰富的数据支持。然而，在病原菌层面，衣康酸对于细菌的调控机制还不是特别清楚。目前普遍认为衣康酸可以竞争性抑制细菌中某些特有的代谢酶(例如异柠檬酸裂解酶、丙酰辅酶A羧化酶等)，来影响细菌代谢。近些年也有研究发现衣康酸可以通过与鸟苷三磷酸酶GTP酶Rab32作用，限制囊泡内病原菌复制，协助宿主防御沙门氏菌。细菌还会适应宿主产生的衣康酸，通过改变自身代谢，促进细菌表面生物膜的形成增强自身的耐受能力。衣康酸和病原菌之间具有复杂的作用，而衣康酸对细菌中蛋白的共价修饰和功能影响还研究甚少。在本工作中，作者结合新型衣康酸修饰探针和定量化学蛋白质组学技术，首次在病原菌中对衣康酸修饰的蛋白进行了鉴定。

　　作者首先发现此前在巨噬细胞中表现良好的生物正交探针ITalk并不能在沙门氏菌中产生明显的标记，因此本工作设计并合成了几种不同结构的衣康酸生物正交探针，并评估筛选了它们在沙门氏菌蛋白质组中标记的效果。作者发现，带有酰胺连接的短链C3A探针标记效果更好，并且和衣康酸具有明显的竞争。在进一步的小分子水平反应、蛋白组水平标记和抗菌功能验证后，作者确认了C3A能模拟衣康酸的作用效果。

　　结合基于还原二甲基化标记的定量化学蛋白质组学技术，作者利用C3A探针在沙门氏菌蛋白质组中大规模鉴定了衣康酸修饰蛋白，作者设置了三组标记样品，得到两个比值，一个为扣除非特异性吸附，另外一个为衣康酸竞争组，一共鉴定到1230个蛋白，其中扣背景比值大于10、竞争比值大于1.5的高置信衣康酸修饰靶标蛋白有197个，这些蛋白被定义为衣康酸修饰蛋白。这些蛋白中包括很多在沙门氏菌中参与重要代谢过程的功能蛋白酶，其中最为显著的一个蛋白是异柠檬酸裂解酶 (ICL)。

　　结合TOP-ABPP技术，作者进一步对衣康酸修饰位点进行大规模直接鉴定，通过两次生物学重复实验，鉴定到781个蛋白上的1319个修饰位点，通过与修饰蛋白进行比对，作者发现其中129个蛋白被鉴定到位点，其中61个蛋白含有一个以上修饰位点，35个蛋白含有两个以上修饰位点。作者选取了一些具有重要功能的蛋白进行了位点突变实验，通过突变后探针标记信号的消失证实了这些修饰位点的可靠性。

　　作者在异柠檬酸裂解酶ICL，共鉴定到5个修饰位点，而突变实验显示主要标记位点在该蛋白的活性位点Cys195上。作者进一步对ICL上存在的衣康酸修饰进行了深入的生化实验验证，通过基因敲除回补实验以及纯蛋白酶活实验，验证了衣康酸是通过对ICL活性位点195位半胱氨酸上的共价修饰影响酶活，产生的抑菌作用。有趣的是，作者还发现了ICL中第318位半胱氨酸也会被衣康酸修饰，而该位点的突变会影响ICL的热稳定性和活性。

　　总之，本工作首次报道了适用于沙门氏菌标记的衣康酸生物正交探针，并结合化学蛋白质组策略实现了衣康酸修饰位点的直接鉴定，不仅在沙门氏菌中提供了一个丰富的衣康酸修饰蛋白的数据库，还揭示了衣康酸通过共价修饰从而抑菌的新机制，这对于进一步理解衣康酸的抗菌功能有着重要意义。本文的通讯作者为北京大学化学与分子工程学院、北大-清华生命科学联合中心的王初教授，其指导的前沿交叉研究院北大清华生命联合中心2016级博士研究生张艳玲为本文的第一作者。王初课题组博士毕业生秦为，研究生刘东阳和博士后刘源等合作者为本课题做出了贡献。该工作受到科技部蛋白质重点专项、基金委国家杰出青年基金、重大研究计划培育项目等项目经费的支持。

　　原文链接：

　　https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/sc/d1sc00660f

　　文献引用：DOI: 10.1039/d1sc00660f