科学家发现赖氨酸乙酰化修饰对细菌染色体分离的调控机制
近日，中国科学院深圳先进技术研究院合成所副研究员赵维与中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所赵国屏团队在《核酸研究》（NucleicAcidsResearch）杂志上发表文章"DeacetylationenhancesParB–DNA...
近
日，中国科学院深圳先进技术研究院合成所副研究员赵维与中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所赵国屏团队在《核酸研究》（
Nucleic Acids Research
）
杂志上发表文章"
Deacetylation enhances ParB–DNA interactions affecting chromosome segregation in
Streptomyces coelicolor"
，
通过细胞生物学、生物化学和蛋白质组学等方法，发现
赖氨酸乙酰化修饰对
天蓝色链霉菌染色体分离的分子
调控
机制。
李鹏为该工作的第一作者，深圳先进院与分子植物卓越中心为该工作的通讯单位。
天蓝色链霉菌
（
Streptomyces coelicolor
）
是研究细菌发育分化的模式生物，
具有相对复杂的生活史，其细胞由孢子萌发后形成基质菌丝，基质菌丝分支产生气生菌丝，气生菌丝继续发育形成孢子链，成熟脱落后变成孢子，完成一个细胞周期
。天蓝色链霉菌的细胞发育伴随一系列细胞形态分化和染色体复制分离过程，受多种胞内外信号的精密调控。
赖氨酸乙酰化通过改变赖氨酸残基的大小和电荷，影响蛋白质结构，进而调控蛋白的酶活性、
DNA
结合力、稳定性以及细胞亚定位。细胞内蛋白的乙酰化水平主要由
乙酰基转移酶和去乙酰化酶调控。
细菌染色体的分离过程调控机制长期以来并不清楚，已知由
ParA
、
ParB
蛋白和染色体类着丝粒
parS
组成的染色体分离复合物在染色体分离起始过程中起关键作用。研究
团队通过蛋白质组学分析的方法，
首先发现乙酰化修饰富集在细菌染色体分离通路，进而揭示
ParB
对类着丝粒
parS
位点的结合活性受乙酰化修饰调控
。
调控细胞乙酰化修饰水平包括两个关键酶：乙酰化酶
Sc
CobB1
和乙酰转移酶
Sc
Pat
。
研究比较分析了
ParB
蛋白在不同的乙酰化修饰水平下
DNA
结合力的改变。生化研究结果发现，乙酰转移酶
Sc
Pat
能够乙酰化
ParB
蛋白并降低
DNA
结合力；相反，去乙酰化酶
Sc
CobB1
能去除
ParB
蛋白的乙酰化修饰，同时上调
ParB-
parS
结合水平
（图1
）
。
ParB
与
parS
结合形成的核蛋白复合物是细菌染色体正常分离的基础。
ParB
复合物可以在天蓝色链霉菌气生菌丝中形成可见的荧光焦点。
科研人员通过
荧光显微镜分析
不同遗传背景下
ParB-
parS
复合体在细菌细胞内的形成情况，验证
Sc
CobB1
对
ParB
的
分子调控机制。研究团队进一步通过
ParB
点突变进一步证明
K183
是主要的乙酰化修饰功能位点。
相对于野生型和
Δ
Scpat
菌株，敲除
SccobB1
基因后，
ParB
在细胞体内无法形成有效的染色体分离复合物
。
有意思的是，在
Δ
SccobB1
菌株表达模拟去乙酰化状态的
ParB
K183R
，
染色体分离复合物又能恢复形成，这说明乙酰化修饰调控染色体分离是通过靶向
ParB
的
K183
位点直接起作用。
通过
DAPI
染色，研究人员发现
Δ
SccobB1
菌株中出现大量的无核或染色体分布不均的孢子，该表型与敲除
parB
基因非常类似
。观察发现，回补
parB
K183R
至
Δ
SccobB1
菌株只能
部分恢复由
SccobB1
敲除引起的异常产孢表型
，这一结果暗示还有其他乙酰化靶标参与调控了天蓝色链霉菌的分裂或产孢。
该研究率先证明天蓝色链霉菌的染色体分离受乙酰化修饰调控。通过生物信息学比对，研究人员发现
ParB
乙酰化修饰位点在其他细菌中保守存在，预示着此调控机制的通用意义。
在体内体外数据的基础上，科研人员提出赖氨酸乙酰化修饰调控天蓝色链霉菌染色体分离的分子模型（图2）
：
Sc
CobB1
去乙酰化修饰增强
ParB
蛋白对类着丝粒
parS
位点的结合，进而促进了染色体分离复合物的形成。敲除
SccobB1
后，
ParB
的乙酰化水平过高，导致无法形成有效的染色体分离复合物；而当外界营养缺乏时，胞内
NAD
+
水平升高，其作为辅因子激活
Sc
CobB1
，诱导形成
ParB
染色体分离复合物，促进起始染色体分离。
未来，研究团队预计在
50-100
种细菌中对该分子模型进行验证，希望通过对其他细菌中
ParB
的乙酰化作用的分析验证，提出通用的细菌染色体分离调控的分子机制模型。对该机制的积极探索将有助于深入理解染色体分裂异常引发的细胞发育分裂紊乱
，而且，对
ParB
关键修饰位点的鉴定还可能为指导染色体分离复合物功能改造打下理论基础。
该研究工作得到国家自然科学基金委，科技部重点研发计划，以及深圳合成生物学创新研究院科研基金的支持。
图1：
Sc
Pat/
Sc
CobB1
通过乙酰化修饰调控了
ParB-parS
结合力活性
图2：
赖氨酸乙酰化修饰调控天蓝色链霉菌染色体分离示意图