腸道菌群的紊亂與炎症性腸病、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。賴氨酸醯化修飾是一類與代謝調控重要的翻譯後修飾，廣泛存在於真核生物和原核生物中，調節多種細胞功能。

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巨集修飾蛋白質組學（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團隊運用巨集乙醯化修飾組學技術，結合巨集蛋白質組學，對健康人群和克羅恩病患者腸道菌群進行系統表徵。研究證實乙醯化在人體腸道菌群的重要代謝途徑中廣泛存在，並且確定了與克羅恩病相關的宿主來源蛋白和微生物蛋白乙醯化修飾組的改變。研究結果發表在國際著名期刊Nature Communications

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。研究人員使用基於質譜的巨集修飾組學（包括乙醯化、丙醯化、琥珀醯化）對人類腸道菌群樣本進行了系統表徵。研究發現賴氨酸醯化修飾在人類腸道菌群中廣泛存在，不同的賴氨酸醯化修飾水平在具有不同代謝能力的微生物種屬中特異分佈，表明了巨集修飾蛋白組學技術對微生物組物種分佈及功能研究的重要價值。

1巨集賴氨酸醯化修飾定量

該研究使用串聯免疫親和富集、高解析度質譜技術和開放的巨集蛋白質組資料庫搜尋策略相結合的分析流程，保證了微生物組PTMs分析的靈敏度、準確性和肽識別數量，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鑑定到60,957種乙醯化（Kac）、20,914種丙醯化（Kprop）和17,089種琥珀醯化（Ksucc）的修飾肽段（圖1 B）。

圖1 巨集賴氨酸醯化修飾分析的工作流程

2賴氨酸醯化蛋白的功能分析

研究發現三種醯化修飾中可能存在共修飾和競爭性修飾。3%富含Kac的肽段同樣和Kprop 肽重疊，超過50%的Kprop和Ksucc肽中同時包含乙醯化修飾，6.5%的肽可同時被三種醯化修飾（圖2 A）。有10個肽同時發生三種醯化修飾，這些肽段均是來自糖酵解代謝途徑和短鏈脂肪酸SCFA的產生過程中的蛋白激酶，如PCK、PGK、PGDH、PFK、MUT等（圖2 B）。總之，結果表明賴氨酸醯化修飾在人類腸道菌群中廣泛存在，並且可能相互交叉，特別是在糖酵解代謝途徑和SCFA的產生中。

圖2 賴氨酸醯化修飾在人類腸道菌群中的分佈

3賴氨酸醯化蛋白分類特徵

進一步生信分析揭示了人類腸道菌群賴氨酸醯化蛋白的分類特徵，揭示了人類腸道菌群中不同賴氨酸醯化型別的特異性分佈特徵。對所有已鑑定的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醯化肽來自厚壁菌和擬桿菌。且Ksucc更特異性分佈在擬桿菌中（相比厚壁菌而言），物種間分佈特異性比Kac和Kprop肽更顯著（圖2 E和F）。屬級成分分析（Genus-level composition analyses）表明，擬桿菌屬的兩個屬Bacteroides和Prevotella是琥珀醯化Ksucc巨集修飾組層面的優勢屬。Ksucc巨集修飾組中厚壁菌屬Faeccalibacter的比重明顯低於Kprop-和Kac修飾組。說明人類腸道中的琥珀酸產生菌廣泛分佈在類桿菌門中（圖2G）。

圖3 賴氨酸醯化蛋白的功能和分類特徵

總之，該研究報道了基於質譜的巨集修飾組學方法（包括乙醯化、丙醯化、琥珀醯化），實現了對人類腸道菌群樣本的系統表徵。結果表明賴氨酸醯化廣泛存在腸道菌群中，特別是在糖酵解代謝途徑和SCFA的產生過程中，並且可能通過Crosstalk實現複雜的調控程序。此外，大多數賴氨酸醯化肽段來自微生物群中的厚壁菌和擬桿菌，不同的賴氨酸醯化修飾水平在具有不同代謝能力的微生物物種中特異分佈。

研究表明了巨集修飾蛋白組學技術對微生物組物種分佈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醯化特異性代謝酶的丰度改變和/或相互作用，將提供更多關於腸道菌群代謝調控的見解，有助於理解複雜宿主的機制−微生物組間相互作用。

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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.