腸道菌群的紊亂與發炎性腸病、代謝紊亂、心血管疾病和神經系統紊亂等疾病發展密切相關。翻譯後修飾（PTMs）對調節蛋白質活性極其重要，其功能和調控機制逐漸成為了腸道菌群研究的熱點。賴氨酸酰化修飾是一類與代謝調控重要的翻譯後修飾，廣泛存在于真核生物和原核生物中，調節多種細胞功能。
宏修飾蛋白質組學（Meta-PTMomics）的發展，為功能性微生物組的研究打開了新的篇章。2020年，加拿大渥太華大學的Daniel Figeys團隊運用宏乙酰化修飾組學技術，結合宏蛋白質組學，對健康人群和克羅恩病患者腸道菌群進行系統表征。研究證明乙酰化在人體腸道菌群的重要代謝途徑中廣泛存在，并且确定了與克羅恩病相關的宿主來源蛋白和微生物蛋白乙酰化修飾組的改變。研究結果發表在國際著名期刊Nature Communications上 [1]。
近日，Daniel Figeys團隊在國際著名期刊analytical chemistry上發表了題為“Exploring the Microbiome-Wide Lysine Acetylation, Succinylation, and Propionylation in Human Gut Microbiota ”的研究論文。研究人員使用基于質譜的宏修飾組學（包括乙酰化、丙酰化、琥珀酰化）對人類腸道菌群樣本進行了系統表征。研究發現賴氨酸酰化修飾在人類腸道菌群中廣泛存在，不同的賴氨酸酰化修飾水準在具有不同代謝能力的微生物種屬中特異分布，表明了宏修飾蛋白組學技術對微生物組物種分布及功能研究的重要價值。
1宏賴氨酸酰化修飾定量
該研究使用串聯免疫親和富集、高分辨率質譜技術和開放的宏蛋白質組資料庫搜尋政策相結合的分析流程，保證了微生物組PTMs分析的靈敏度、準确性和肽識别數量，同時控制錯誤發現率（圖1 A）。研究在6個人腸道微生物組樣品中成功地鑒定到60,957種乙酰化（Kac）、20,914種丙酰化（Kprop）和17,089種琥珀酰化（Ksucc）的修飾肽段（圖1 B）。
圖1 宏賴氨酸酰化修飾分析的工作流程
2賴氨酸酰化蛋白的功能分析
研究發現三種酰化修飾中可能存在共修飾和競争性修飾。3%富含Kac的肽段同樣和Kprop 肽重疊，超過50%的Kprop和Ksucc肽中同時包含乙酰化修飾，6.5%的肽可同時被三種酰化修飾（圖2 A）。有10個肽同時發生三種酰化修飾，這些肽段均是來自糖酵解代謝途徑和短鍊脂肪酸SCFA的産生過程中的蛋白激酶，如PCK、PGK、PGDH、PFK、MUT等（圖2 B）。總之，結果表明賴氨酸酰化修飾在人類腸道菌群中廣泛存在，并且可能互相交叉，特别是在糖酵解代謝途徑和SCFA的産生中。
圖2 賴氨酸酰化修飾在人類腸道菌群中的分布
3賴氨酸酰化蛋白分類特征
進一步生信分析揭示了人類腸道菌群賴氨酸酰化蛋白的分類特征，揭示了人類腸道菌群中不同賴氨酸酰化類型的特異性分布特征。對所有已鑒定的Kac、Kprop或Ksucc肽進行的分類分析（Taxonomic analyses ）顯示，在腸道菌群中大多數賴氨酸酰化肽來自厚壁菌和拟杆菌。且Ksucc更特異性分布在拟杆菌中（相比厚壁菌而言），物種間分布特異性比Kac和Kprop肽更顯著（圖2 E和F）。屬級成分分析（Genus-level composition analyses）表明，拟杆菌屬的兩個屬Bacteroides和Prevotella是琥珀酰化Ksucc宏修飾組層面的優勢屬。Ksucc宏修飾組中厚壁菌屬Faeccalibacter的比重明顯低于Kprop-和Kac修飾組。說明人類腸道中的琥珀酸産生菌廣泛分布在類杆菌門中（圖2G）。
圖3 賴氨酸酰化蛋白的功能和分類特征
總之，該研究報道了基于質譜的宏修飾組學方法（包括乙酰化、丙酰化、琥珀酰化），實作了對人類腸道菌群樣本的系統表征。結果表明賴氨酸酰化廣泛存在腸道菌群中，特别是在糖酵解代謝途徑和SCFA的産生過程中，并且可能通過Crosstalk實作複雜的調控程序。此外，大多數賴氨酸酰化肽段來自微生物群中的厚壁菌和拟杆菌，不同的賴氨酸酰化修飾水準在具有不同代謝能力的微生物物種中特異分布。
研究表明了宏修飾蛋白組學技術對微生物組物種分布及功能研究的重要價值，為更深入的腸道菌群調控疾病機制研究奠定了基礎。進一步研究健康和疾病個體的賴氨酸酰化特異性代謝酶的豐度改變和/或互相作用，将提供更多關于腸道菌群代謝調控的見解，有助于了解複雜宿主的機制−微生物組間互相作用。
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參考文獻：
[1] Xu Zhang, et al., 2020. Widespread protein lysine acetylation in gut microbiomeand its alterations in patients with Crohn’s disease. Nature Communications.
[2] Xu Zhang, et al., 2021, Exploring the Microbiome-Wide Lysine Acetylation, Succinylation,and Propionylation in Human Gut Microbiota. Anal. Chem.