深圳先進院等發現賴氨酸乙酰化修飾對細菌染色體分離的調控機制
近日，中科院深圳先進技術研究院合成所趙維副研究員與中科院上海植物生理生態研究所趙國屏院士團隊在Nucleic Acids Research雜志上發表文章"Deacetylation enhances ParB–DNA interactions affecting chromosome segregation in Streptomyces coelicolor"，通過細胞生物學、生物化學和蛋白質組學等方法，發現賴氨酸乙酰化修飾對天藍色鏈霉菌染色體分離的分子調控機制。李鵬博士為該工作的第一作者，深圳先進院與上海植物生理生態研究所為該工作的通訊單位。
天藍色鏈霉菌（Streptomyces coelicolor）是研究細菌發育分化的模式生物，具有相對復雜的生活史，其細胞由孢子萌發后形成基質菌絲，基質菌絲分支產生氣生菌絲，氣生菌絲繼續發育形成孢子鏈，成熟脫落后變成孢子，完成一個細胞周期。天藍色鏈霉菌的細胞發育伴隨一系列細胞形態分化和染色體復制分離過程，受多種胞內外信號的精密調控。賴氨酸乙酰化通過改變賴氨酸殘基的大小和電荷，影響蛋白質結構，進而調控蛋白的酶活性、DNA結合力、穩定性以及細胞亞定位。細胞內蛋白的乙酰化水平主要由乙酰基轉移酶和去乙酰化酶調控。
細菌染色體的分離過程調控機制長期以來并不清楚，已知由ParA、ParB蛋白和染色體類著絲粒parS組成的染色體分離復合物在染色體分離起始過程中起關鍵作用。研究團隊通過蛋白質組學分析的方法，首先發現乙酰化修飾富集在細菌染色體分離通路，進而揭示ParB對類著絲粒parS位點的結合活性受乙酰化修飾調控。調控細胞乙酰化修飾水平包括兩個關鍵酶：乙酰化酶ScCobB1和乙酰轉移酶ScPat。研究比較分析了ParB蛋白在不同的乙酰化修飾水平下DNA結合力的改變。生化研究結果發現，乙酰轉移酶ScPat能夠乙酰化ParB蛋白并降低DNA結合力；相反，去乙酰化酶ScCobB1能去除ParB蛋白的乙酰化修飾，同時上調ParB-parS結合水平（圖1）。
ParB與parS結合形成的核蛋白復合物是細菌染色體正常分離的基礎。ParB復合物可以在天藍色鏈霉菌氣生菌絲中形成可見的熒光焦點。科研人員通過熒光顯微鏡分析不同遺傳背景下ParB-parS復合體在細菌細胞內的形成情況，驗證ScCobB1對ParB的分子調控機制。研究團隊進一步通過ParB點突變進一步證明K183是主要的乙酰化修飾功能位點。相對于野生型和ΔScpat菌株，敲除SccobB1基因后，ParB在細胞體內無法形成有效的染色體分離復合物。有意思的是，在ΔSccobB1菌株表達模擬去乙酰化狀態的ParBK183R，染色體分離復合物又能恢復形成，這說明乙酰化修飾調控染色體分離是通過靶向ParB的K183位點直接起作用。通過DAPI染色，研究人員發現ΔSccobB1菌株中出現大量的無核或染色體分布不均的孢子，該表型與敲除parB基因非常類似。觀察發現，回補parBK183R至ΔSccobB1菌株只能部分恢復由SccobB1敲除引起的異常產孢表型，這一結果暗示還有其他乙酰化靶標參與調控了天藍色鏈霉菌的分裂或產孢。
該研究率先證明天藍色鏈霉菌的染色體分離受乙酰化修飾調控。通過生物信息學比對，研究人員發現ParB乙酰化修飾位點在其他細菌中保守存在，預示著此調控機制的通用意義。
在體內體外數據的基礎上，科研人員提出賴氨酸乙酰化修飾調控天藍色鏈霉菌染色體分離的分子模型（圖2）：ScCobB1去乙酰化修飾增強ParB蛋白對類著絲粒parS位點的結合，進而促進了染色體分離復合物的形成。敲除SccobB1 后，ParB的乙酰化水平過高，導致無法形成有效的染色體分離復合物；而當外界營養缺乏時，胞內NAD+水平升高，其作為輔因子激活ScCobB1，誘導形成ParB 染色體分離復合物，促進起始染色體分離。
未來，研究團隊預計在50-100種細菌中對該分子模型進行驗證，希望通過對其他細菌中ParB的乙酰化作用的分析驗證，提出通用的細菌染色體分離調控的分子機制模型。對該機制的積極探索將有助于深入理解染色體分裂異常引發的細胞發育分裂紊亂，而且，對ParB關鍵修飾位點的鑒定還可能為指導染色體分離復合物功能改造打下理論基礎。
該研究工作得到了國家自然科學基金委，科技部重點研發計劃，以及深圳合成生物學創新研究院科研基金的支持。
圖1：ScPat/ScCobB1通過乙酰化修飾調控了ParB-parS結合力活性
圖2：賴氨酸乙酰化修飾調控天藍色鏈霉菌染色體分離示意圖
