研究揭示藍細菌中賴氨酸甲基轉移酶的作用機制

　　蛋白質翻譯后修飾通過在一個或幾個氨基酸殘基上加上化學修飾基團而改變蛋白質的結構和功能，參與蛋白質的活性狀態、定位、折疊以及蛋白質-蛋白質間相互作用。賴氨酸甲基化是常見的蛋白質翻譯后修飾類型之一，其調控機制復雜，在生命調控過程中的地位較為重要，尤其在真核生物中的組蛋白上發生的甲基化修飾，對異染色質形成、基因印記和轉錄過程有重要的調控作用。目前在真核生物中已報道多種能夠催化關鍵細胞因子發生賴氨酸甲基化的修飾酶，并對各種關鍵通路進行精確的調節。然而，對原核生物中的賴氨酸甲基化修飾的功能卻知之甚少，特別是在藍細菌中，是否存在賴氨酸單甲基化修飾和甲基轉移酶，以及這些甲基化修飾與轉移酶的功能尚不清楚。

　　中國科學院水生生物研究所水生生物蛋白質組學課題組證實賴氨酸單甲基化修飾在藻類和植物中普遍存在，通過發展賴氨酸單甲基化蛋白質丙酰化修飾技術，結合修飾肽段富集與質譜鑒定等方法，實現模式藍細菌集胞藻PCC6803賴氨酸單甲基化修飾蛋白的系統性鑒定。該研究共鑒定到376個賴氨酸單甲基化位點，分布于270個蛋白質中；這些修飾蛋白在光合作用以及能量代謝通路中廣泛分布，提示了賴氨酸單甲基化修飾在光合系統以及能量代謝等生物學過程中發揮重要的調控作用（圖1）。該研究通過蛋白序列保守性和結構域分析發現，集胞藻PCC6803中的CpcM蛋白具有保守的甲基轉移酶結構域，功能實驗證實，該酶具有催化賴氨酸甲基化的能力；同時，cpcM基因敲除后，藍細菌中賴氨酸甲基化修飾水平顯著降低。為了鑒定CpcM的作用靶標，研究團隊利用高通量質譜技術，鑒定到CpcM蛋白酶的多個靶標底物蛋白（圖2）。進一步的酶活性測定實驗表明，CpcM能夠改變靶標底物Sll0480（天冬氨酸氨基轉移酶）的賴氨酸甲基化狀態，影響Sll0480的轉氨酶活性（圖3）。

　　該研究還發現，cpcM基因敲除后將導致藍細菌光合作用過程中的能量與電子傳遞受到顯著影響，表明CpcM蛋白通過調控重要底物蛋白的甲基化修飾狀態影響藍細菌的能量代謝等過程。該研究報道了光合生物中的賴氨酸單甲基化修飾蛋白組數據，為光合生物中賴氨酸甲基化研究提供數據支持。此外，研究發現并揭示藍細菌中賴氨酸甲基轉移酶的功能與作用機制，為研究賴氨酸甲基化修飾在光合生物中的功能提供新思路。

　　相關研究成果以Characterization of Lysine Monomethylome and Methyltransferase in Model Cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803為題，在線發表在Genomics, Proteomics & Bioinformatics上，水生所博士生林小煌（現為福建醫科大學講師）和高級實驗師楊明坤為論文共同第一作者，水生所研究員葛峰為論文通訊作者。研究工作得到自然科學基金和中科院關鍵技術人才項目的資助。

　　圖1.賴氨酸單甲基化修飾在光合生物中普遍存在并參與藍細菌光合作用與代謝過程

　　圖2.藍細菌中賴氨酸甲基轉移酶CpcM的鑒定

　　圖3.CpcM調控底物蛋白甲基化修飾狀態，影響底物蛋白酶的活性