古菌蛋白质N末端乙酰化修饰调控蛋白胞内含量的机制

N-terminal acetylation (Nt-acetylation) occurs widely in proteins from all three domains of life. In eukaryotes, Nt-acetylation affects various aspects of a protein, of which protein degradation attracts considerable research interest. By contrast, the influence of Nt-acetylation on the properties of a protein and the physiological functions of Nt-acetylation in Archaea have barely been studied so far. Ard1 is the only known N-terminal acetyltransferase in Archaea. In a previous study, the applicant constructed an Ard1-defective mutant in the hyperthermophilic archaeon Sulfolobus islandicus, which was known to have Nt-acetylated proteins in abundance. The cellular contents of the nucleic acid-binding proteins Sis10b and Cren7 were found to be higher in the mutant strain than those in the parental strain, suggesting that Nt-acetylation may play a role in the control of the cellular content of a protein. The proposed project is designed to analyze the pattern of the control of cellular contents of proteins by Nt-acetylation, to determine the target requirement for protein degradation mediated by Nt-acetylation and elucidate the molecular mechanism of the control of cellular contents of proteins by Nt-acetylation in S. islandicus. The results of the project will help understand the physiological functions of Nt-acetylation and provide clues to the evolution of protein Nt-acetylation.

蛋白质N末端乙酰化修饰广泛存在于细菌、古菌和真核生物。在真核生物中，N末端乙酰化修饰对蛋白质的影响是多方面的。其中，对蛋白降解的影响受到很多关注。但是，关于古菌蛋白质N末端乙酰化修饰对蛋白质性质的影响及生理功能，至今鲜有报道。Ard1是古菌中唯一已知的蛋白质N末端乙酰基转移酶。在先前的研究中，申请人在富含N末端乙酰化修饰的极端嗜热古菌─冰岛硫化叶菌中构建了Ard1缺失菌株。研究发现，冰岛硫化叶菌核酸结合蛋白Sis10b和Cren7在该突变株中的细胞含量高于在野生型菌株中的细胞含量，提示N末端乙酰化可能参与调控蛋白胞内含量。本项目拟以冰岛硫化叶菌为研究对象，分析N末端乙酰化修饰调控蛋白质胞内含量的规律，确定介导N末端乙酰化修饰蛋白降解的序列特征，解析N末端乙酰化修饰调控蛋白质胞内含量的分子机制。研究结果将有助于理解N末端乙酰化修饰的生理功能，丰富关于蛋白质N末端乙酰化修饰的演化规律的认识。

近些年蛋白质组学的研究表明，古菌中也存在丰富的蛋白质N末端乙酰化修饰。本项目以冰岛硫化叶菌蛋白质N末端乙酰基转移酶Ard1为切入点，以小分子核酸结合蛋白Cren7、Sis10b为研究重点，确定Ard1对蛋白质胞内含量的调控作用，解析N末端乙酰化修饰调控蛋白质胞内含量的分子机制。本项目的主要成果如下：（1）执行了N末端乙酰化修饰组，鉴定到冰岛硫化叶菌中约44%的蛋白存在修饰。比较野生型和ΔArd1的N末端乙酰化修饰组，发现Ard1催化了组学中鉴定到的92%的蛋白，是细胞内最主要的N末端乙酰基转移酶；（2）定量蛋白质组学结果表明，Ard1调控18%的可定量蛋白（约占基因组编码蛋白的10%）的胞内含量。比较分析定量蛋白组与转录组，确定了Ard1对蛋白质胞内含量的调控主要发生在转录后过程-降解过程，而非转录过程；（3）N末端乙酰化修饰对蛋白胞内含量的调控无显著的序列特征，且在体外实验中将不同长度的N末端的序列融合表达到报告基因的N末端，不能调控报告基因的胞内含量；（4）执行了Urm1修饰组，共鉴定到297个蛋白的619个修饰位点，其中包括大量N末端乙酰化修饰的蛋白。Cren7、Sis10b存在多个Urm1修饰位点。同时敲低Urm1导致Cren7、Sis10b蛋白的胞内含量下降。以上进展极大地推动了对古菌蛋白质N末端乙酰化修饰的认知，有助于阐明蛋白质N末端乙酰化修饰的生理功能。