景杰学术 | 报道
水稻是一种重要的主粮作物。稻米的产量和质量与食品安全、人类健康和经济产值息息相关。水稻主要的营养物质以淀粉和蛋白质的形式存储在稻米中，而这两者的含量和成分主要是在谷粒发育过程中所决定。此前报道表明多种翻译后修饰（PTMs）与谷粒发育以及淀粉合成相关。赖氨酸乳酸化是一种2019年发表的新型翻译后修饰类型，最早鉴定于人类和小鼠细胞。该修饰可以被外源或葡萄糖衍生的内源乳酸（L-lactate）所激发，并参与调控基因转录和糖酵解。L-lactate本身也是一个重要的葡萄糖代谢的中间产物。研究表明糖酵解通量（glycolytic flux）与乳酸水平以及乳酸化修饰水平息息相关。
图1 乳酸化发生机制
近日，沈阳农业大学食品科技学院联合农学院在食品科技领域专业学术期刊Journal of Agricultural and Food Chemistry （IF=5.279， JCR 1区， TOP）发表题为“Comprehensive Analysis of Lysine Lactylation in Rice (Oryza sativa) Grains” 的论文。研究者全面分析了赖氨酸乳酸化修饰在水稻谷粒中的分布及对谷粒发育产生的潜在调控作用，也是蛋白质乳酸化修饰在植物领域的首篇报告。景杰生物为该研究提供了抗体和乳酸化修饰组学检测工作。
该文使用受精后15天的未成熟谷粒作为研究材料来探索乳酸化在谷粒发育过程中的作用。Western blot 分析显示乳酸化是一种特异性的修饰并广泛分布于水稻谷粒蛋白组中。作者共鉴定到342个蛋白上的638个修饰位点，其中超过一半的蛋白拥有多于10%的赖氨酸被乳酸化修饰。此外，作者结合免疫沉淀和Western blot验证了组蛋白H4和非组蛋白GAPDH上的乳酸化修饰，进一步证实乳酸化的存在和质谱分析的准确性。亚细胞定位发现，相比于同时期的水稻谷粒蛋白质组，乳酸化蛋白更多的位于线粒体和细胞质，而较少的位于细胞核。通过分析修饰位点上下游氨基酸序列，作者鉴定到了独特的motif (KxxxxxxKla)，并且该motif也在水稻乙酰化、琥珀酰化和二羟基异丁酰化中富集， 说明这些蛋白质修饰很有可能共用相同的基氨基转移酶和识别位点。
图2 乳酸化分布和特征
作者将已发表的水稻谷粒其他酰化修饰与本研究进行对比，分析发现有大量蛋白可以发生乳酸化、乙酰化、琥珀酰化、二羟基异丁酰化和丙二酰化修饰，并且很多修饰可以发生在同一赖氨酸位点上。这个现象在组蛋白和非组蛋白中均有体现。此外，拥有多种不同种类修饰组合的蛋白在细胞中的分布也具有倾向性，说明相关的修饰组合是有规律发生的。
图3 乳酸化与其他修饰的关系
为探究乳酸化在其他物种中的保守性和普遍性，作者比较了水稻和植物真菌性病原菌B. cinerea的乳酸化组。结果显示有27.71%的修饰蛋白在B. cinerea中保守存在，这些蛋白主要参与碳代谢、能量产生、氨基酸生物合成等重要基础代谢。此外，序列比对显示部分水稻组蛋白上乳酸化修饰位点同人类、小鼠以及B. cinerea的组蛋白修饰位点具有保守性。例如H2BK136la在以上物种中均保守存在。
关于乳酸化蛋白的功能注释分析显示，乳酸化参与了蛋白/氨基酸生物合成和代谢、中心碳代谢、碳水化合物转运、能量代谢、信号转导、脂转运等关键代谢通路。谷粒灌浆成熟主要是一个碳水化合物的积累过程，因此碳代谢在谷粒发育中尤为重要。有证据表明中心碳代谢中的糖降解/糖异生和三羧酸循环对水稻谷粒灌浆、胚乳细胞增大以及淀粉合成有重要影响。本文研究发现水稻谷粒中大部分糖降解/糖异生和三羧酸循环通路的酶都有被乳酸化修饰。同时，淀粉的生物合成也以碳代谢为基础。分析结果显示参与淀粉生物合成的酶，如OsSUS2 、OsSUS3、OsAGPS2、OsAGPL2、OsBEI、 OsPHO 和 DPE都携带乳酸化修饰。除了淀粉，蛋白质是谷粒中另一重要营养物质。研究表明发育中谷粒里自由氨基酸含量和结合氨基酸的能力影响成熟谷粒蛋白含量。作者发现大量乳酸化蛋白参与蛋白生物合成、加工和细胞定位。此外，乳酸化修饰在重要种子储藏蛋白中被检测到，包括多种谷蛋白和球蛋白。
图4 乳酸化及其他修饰参与淀粉合成等重要代谢
总的来说，该研究运用乳酸化修饰抗体和乳酸化修饰组学技术，首次报道了水稻谷粒中乳酸化修饰图谱。研究在水稻谷粒中鉴定到342个蛋白上的638个修饰位点，功能分析发现乳酸化修饰蛋白富集在中心碳代谢及蛋白质生物合成通路上，并且很多水稻种子上已知的淀粉和储存蛋白均发生乳酸化修饰。由于淀粉与糖酵解通路紧密相关，同时糖酵解也是决定乳酸化水平的重要代谢，因此乳酸化对于谷类作物淀粉合成的作用值得深入思考。此外，作者通过比较已发表的水稻谷粒上其他的赖氨酸修饰，发现拥有乳酸化修饰的蛋白同时也能够在相同赖氨酸位点被其他类型的酰基化所修饰，证明了修饰间cross-talk的普遍可能性。多种修饰间潜在的协同或竞争对蛋白功能的调控也值得进一步深入探索。
Xiaoxi Meng, et al., 2021, Comprehensive Analysis of Lysine Lactylation in Rice (Oryza sativa)Grains. Journal of Agricultural and Food Chemistry.
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邹文安