修饰组学再登Cell！细菌通过NO修饰宿主蛋白，上演“跨界调控”

景杰学术/解读

近几年来，关于肠道微生物的“跨界调控”引发了学者们的兴趣和研究热潮，并相继报道了肠道菌群在调控宿主的免疫系统、脂肪代谢、癌症发生和免疫治疗、II型糖尿病的产生以及情绪障碍等方面的关键作用。2018年3月8月，Cell杂志推出了微生物专刊，从多个角度诠释了肠道微生物和宿主密不可分的共生与调控关系。

近日，凯斯西储大学医学院和克利夫兰医学中心的研究人员在Cell杂志发表了题为Regulation of MicroRNA Machinery and Development by Interspecies S-Nitrosylation的文章。首次阐明了微生物释放的一氧化氮(NO)能够在宿主体内造成蛋白质的巯基亚硝基化（点击“阅读原文”可阅读完整文章）。这一跨物种的蛋白翻译后修饰影响了microRNA途径的关键蛋白——Argonaute的功能，进而导致宿主体内microRNA功能的异常，并最终调控宿主的生长发育[1]。

巯基亚硝基化（S-nitrosylation）是一种典型的氧化还原依赖的蛋白质翻译后修饰，是指一氧化氮及其衍生物，对蛋白质的半胱氨酸侧链的巯基(-SH)进行氧化，生成亚硝基硫醇(-SNO)的过程。巯基亚硝基化修饰广泛存在于动物、植物和微生物中，目前已有大约7000个蛋白被报道存在巯基亚硝基化修饰，包括转录因子、激酶、通道蛋白等。近年来的研究发现其与肿瘤、炎症、衰老、阿尔茨海默症和帕金森综合症等许多重大疾病相关。

蛋白质巯基亚硝基化(S-nitrosylation)修饰示意图

研究发现，微生物和宿主之间的信息交流可能是通过细胞的信号转导来实现，研究人员将研究目标锁定为气体信号分子一氧化氮。为了研究一氧化氮介导的跨物种信号转导，作者选择了秀丽隐杆线虫(C. elegans) 作为研究对象。

秀丽隐杆线虫是研究共生细菌的一个良好的模式生物

线虫是研究共生细菌的一个良好的模式生物，它们以共生在线虫肠道中的大肠杆菌 (E.coli) 或者枯草芽胞杆菌 (B. subtilis) 作为食物来源。研究发现，由细菌产生的一氧化氮能够被线虫吸收利用，并且延长线虫的寿命。那么，在线虫和细菌的共生系统中，细菌产生的一氧化氮能否对线虫体内的蛋白进行“跨界”修饰，进而影响线虫的生命行为呢？

作者分别用两种枯草芽孢杆菌饲喂不含微生物的线虫野生株系N2 ：一种为野生型，另一种是一氧化氮合酶突变的菌株(Δnos)，该突变菌株不能有效的合成一氧化氮。待线虫生长到幼虫的第 4 阶段时，作者提取并且特异的分离了线虫体内巯基亚硝基化修饰的蛋白（样本策略）。经过质谱的分析检测，作者在饲喂野生型枯草芽孢杆菌的线虫体内鉴定到了大约1000种巯基亚硝基化修饰的蛋白，说明共生细菌分泌的一氧化氮确实能够对宿主体内的蛋白进行修饰。

图1 线虫体内巯基亚硝基化修饰蛋白定量

KEGG 富集分析的结果表明，这些巯基亚硝基化修饰的蛋白主要参与了能量利用以及细胞的代谢途径。在诸多被巯基亚硝基化修饰的宿主蛋白中，ALG-1是功能较为清楚并且在高等动物中保守的一类蛋白(图2. A)。ALG-1是线虫中的Argonaute蛋白，能够同microRNA组装为RISC (RNA-induced silencing complex)复合体，调控microRNA靶基因的功能。Argonaute蛋白的序列和功能在高等动物中保守，作者进一步发现一氧化氮也能造成哺乳动物的Argonaute蛋白之一，AGO2的巯基亚硝基化修饰(图2. B)。AGO2含有22个半胱氨酸位点，作者发现只有第691位的半胱氨酸(Cys 691，在线虫ALG-1中对应的位点为Cys 855)是一氧化氮的作用位点。将该位点突变则会降低ALG-1以及AGO2巯基亚硝基化修饰的比例(图2. C-D)。

图2 Argonaute蛋白的巯基亚硝基化修饰以及关键的氨基酸位点

Argonaute蛋白主要包含四个结构域：N端结构域、PAZ结构域、MID结构域和PIWI结构域。其中PAZ结构域主要结合micoRNA和siRNA，而PIWI结构域负责靶基因的剪切，同时也是Argonaute和其他蛋白相互作用的区域。作者发现AGO2的巯基亚硝基化修饰位点位于PIWI结构域，毗邻AGO2和GW182蛋白相互作用的位点。AGO2的巯基亚硝基化修饰阻碍了AGO2和GW182的相互作用，破坏了microRNA对靶基因的抑制。这一现象在线虫中也得到了证实。

图3 S-亚硝基化抑制小RNA活性来调控宿主发育

微生物和宿主之间的生物活性分子的交流，既能够调控宿主细胞的功能，又会对微生物自身的行为产生影响。这篇文章证明了微生物的代谢产物能够对宿主的蛋白进行广泛的翻译后修饰，细菌释放的一氧化氮能够造成宿主体内Argonaute蛋白的巯基亚硝基化。细菌的“跨界调控”影响了宿主细胞microRNA的功能，调控了宿主的基因表达和生长发育。