bioRxiv预印本 | tau蛋白上的又一个新修饰——琥珀酰化修饰

精准医学与蛋白组学

2020.11.18

景杰学术 | 报道

背景介绍

微管相关蛋白tau主要存在于轴突中，参与调控微管蛋白稳定性，在阿尔茨海默病 (Alzheimer''s disease, AD) 等神经退行性疾病的发生发展中发挥着关键作用。大量研究已证明，过度磷酸化的tau蛋白会以配对螺旋丝结构形成神经原纤维缠结并聚集，导致渐进性记忆障碍、认知功能障碍等精神症状。除了磷酸化之外，tau 还可以发生多种蛋白质翻译后修饰 (post-translational modification, PTM)，包括糖基化、聚胺化、泛素化等。然而，领域内对tau是否会发生新型蛋白酰基化修饰，及其对tau蛋白功能、AD的影响却知之甚少。

蛋白质琥珀酰化修饰 (succinylation) 是TCA循环中重要的酰基辅酶A——琥珀酰辅酶A (succinyl-CoA)——通过酶学/非酶学的方式共价结合到赖氨酸残基的过程。早在2010年，芝加哥大学赵英明教授团队就首次利用质谱技术证实了赖氨酸琥珀酰化修饰在真核及原核生物蛋白质中的存在，相关结果发表在Nature Chemical Biology¹，并被评为该杂志创刊10年39篇精品论文之一。随后的十年中，有关琥珀酰化修饰的研究工作则如“雨后春笋”般涌现，在细胞多层面功能的调控机制中都发现了琥珀酰化修饰发挥着举足轻重的作用。

文章概述

2019年9月16日，康奈尔大学Gary E. Gibson教授团队，在生物预印本bioRxiv上传了题为“Succinylation Links Metabolic Reductions to Amyloid and Tau Pathology”的研究论文²。他们利用蛋白质琥珀酰化修饰组学以及特异性琥珀酰化抗体等方法，首次在AD患者的脑组织中观察到了蛋白质琥珀酰化修饰水平的明显改变，证实了关键蛋白tau以及淀粉样蛋白前体 (amyloid precursor protein, APP) 可以发生赖氨酸琥珀酰化修饰。重要的是，区别于磷酸化修饰，tau的琥珀酰化修饰水平在AD的发展过程中呈现出了不同的变化趋势。

目前，该工作尚处于学术界的同行审阅中，我们无从得知其他科学家是否接受文章中的某些新颖观点。但我们相信，在不久的将来，这篇论文的顺利发表，必将重塑人们对于神经退行性疾病相关蛋白的翻译后修饰调控复杂性的认识，为未来开发AD早期诊断试剂及治疗药物，提供全新思路与重要理论基础。以下，我们将对此篇论文中的关键科学发现做简要介绍。

文献精读

研究人员分别通过非标记 (label-free) 定量、TMT (Tandem Mass Tag) 同位素标记定量蛋白质组学技术 (质谱策略，图1a, c)，在AD和健康组脑组织标本（样本策略，5对，2次生物学重复）中定性鉴定到4,678种蛋白质以及314种发生了琥珀酰化修饰的蛋白质 (包括tau和APP；图1b, d)，其中，定量检测到的259种琥珀酰化蛋白质中，有245种可以通过label-free定量蛋白质组学技术鉴定到 (图1e)，覆盖率约95%。

图1 蛋白质定量及琥珀酰化修饰组学研究AD及健康脑组织 通过对314种琥珀酰化蛋白质进行亚细胞定位分析，研究人员发现约73% (229/314) 的蛋白质为线粒体蛋白质 (图2a, b)，其中，丙酮酸脱氢酶复合体 (PDHC) 以及TCA循环关键酶的琥珀酰化修饰水平最高；此外，约30%、23%的琥珀酰化蛋白质分别为胞浆蛋白质和核蛋白质 (图2a, b)。琥珀酰化修饰位点也在不同蛋白质间彼此区别，只有1个或2个琥珀酰化修饰位点的蛋白质分别占40% (125/314)、20% (60/314)，剩下40%的琥珀酰化蛋白质则有3个及以上 (最多23个) 琥珀酰化修饰位点 (图2c)。

图2 琥珀酰化修饰蛋白质的亚细胞定位及修饰位点分析 在对健康组及AD患者脑组织中具有定量信息的932个琥珀酰化修饰肽段 (259种琥珀酰化蛋白质；图1a) 进一步分析后，研究人员发现，在AD中琥珀酰化修饰水平上调与下调的肽段数目分别为498个和434个 (图3a)，其中具有统计学差异 (p < 0.05) 的共29个肽段 (10个上调，19个下调；图3a, b)。

图3 琥珀酰化修饰肽段在AD及健康脑组织中修饰水平的差异分析
重要的是，研究人员发现琥珀酰化修饰同样发生于两个在AD疾病中发挥关键作用的蛋白质——tau和APP (图4a, b)。其中， tau K311和APP K687的琥珀酰化修饰只存在于AD患者的脑组织中，在健康组中并没有出现 (图4a, b)。在能模拟AD的模型小鼠 (TgP301S) 中，研究人员利用免疫荧光技术进一步调查了tau和APP的琥珀酰化修饰水平与AD疾病进展的关系。在AD小鼠海马CA1区，随着小鼠年龄的增长，病理性tau (绿色T22；图4c)、APP (绿色NU-1；图4e) 、淀粉样斑块 (绿色Aβ；图4f) 的含量都发生了明显增加；随后，用泛琥珀酰化修饰抗体 (洋红色SL；图c, d, e和f) 做双荧光共定位分析时，研究人员发现，区别于持续增长的磷酸化修饰水平 (绿色AT8；图4d)，tau的琥珀酰化修饰水平 (白色；图4c, d)却随着小鼠年龄的增长而下降，提示在AD发展过程中，两种修饰在调节tau功能上存在潜在的相互联系。此外，研究人员同时观察到了，APP的琥珀酰化修饰水平 (白色；图4e) 在AD发展中持续增加的现象，暗示琥珀酰化修饰可能在APP裂解形成Aβ沉积过程中发挥重要作用。

图4 tau和APP的琥珀酰化修饰水平在AD发展过程中的动态变化

小结

在本项研究中，作者首次利用琥珀酰化修饰组学，系统地研究了AD患者脑组织中蛋白质琥珀酰化修饰水平的变化，发现了AD关键蛋白tau和APP可以发生琥珀酰化修饰，并在AD小鼠模型中，动态观察了两种蛋白的琥珀酰化修饰水平与AD疾病进展的内在联系。最后，在预祝该文章能顺利接收发表的同时，我们也不禁在思考，tau是否还存在其他重要的修饰类型？

琥珀酰化修饰
琥珀酰化 (Succinylation) 是指琥珀酰基供体通过酶学等方式将琥珀酰基团共价结合到赖氨酸残基的过程。相比于甲基化和乙酰化，琥珀酰化修饰能够引发更多的蛋白质特性的改变。

常见的琥珀酰转移酶：P300、KAT2A、CPT1A常见的去琥珀酰化酶：SIRT5、SIRT7

琥珀酰化广泛参与代谢调节、表观遗传、信号转导等众多生物学过程，与肿瘤、心血管系统疾病、炎症等疾病密切相关。

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参考文献：
1. Zhihong Zhang, et al. 2010. Identification of lysine succinylation as a new post-translational modification. Nature Chemical Biology. 2. Yun Yang, et al. 2020. Succinylation Links Metabolic Reductions to Amyloid and Tau Pathology. bioRxiv.

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