Cell 深度| 細菌再次上演「跨界調控」，通過NO修飾宿主蛋白
撰文 | 虞莎
責編丨迦漵
微生物和宿主之間的相互作用和信息傳遞一直廣泛受到科學家們的關注。近幾年來，關於腸道微生物的「跨界調控」尤其引發了學者們的興趣和研究熱潮。僅過去一年，生命科學和醫學領域的重量級期刊相繼報道了腸道菌羣在調控宿主的免疫系統 【1-3】、脂肪代謝【4】、癌症的發生【5,6】和免疫治療【7】、II型糖尿病的產生【8】以及情緒障礙(Mood disorder)【9】等方面的關鍵作用。2018年3月，Cell雜誌更是推出了微生物專刊，從多個角度詮釋了微生物和宿主密不可分的共生與調控關係【10】。
已有的研究表明，生物活性分子(Bioactive molecules)可以在微生物和宿主之間進行傳播和交流，影響二者自身細胞的功能以及對環境的適應性【11,12】。然而，由於微生物羣體的高度異質性(Heterogeneity)以及生物活性分子的多樣性(Diversity)，使得從分子水平上研究跨物種的信息交流具有一定的難度，關於不同物種中信息傳遞的載體以及調控機制至今並沒有太多的報道。
近日，凱斯西儲大學醫學院和克利夫蘭醫學中心（Case Western Reserve University School of Medicine and University Hospitals Cleveland Medical Center）的研究人員在Cell雜誌發表了題為Regulation of MicroRNA Machinery and Development by Interspecies S-Nitrosylation的文章。首次闡明瞭微生物釋放的一氧化氮(NO)能夠在宿主體內造成蛋白質的巰基亞硝基化 (S-nitrosylation)。這一跨物種的蛋白翻譯後修飾影響了microRNA途徑的關鍵蛋白——Argonaute的功能，進而導致宿主體內microRNA功能的異常，造成了宿主細胞的表達譜的變化，並最終調控宿主的生長發育【13】。
研究發現，微生物和宿主之間的信息交流可能是通過細胞的信號轉導來實現，他們將研究目標鎖定為氣體信號分子一氧化氮。一氧化氮能夠對蛋白質的半胱氨酸側鏈的巰基(-SH)進行氧化，生成亞硝基硫醇(-SNO)，這一修飾稱為蛋白質的巰基亞硝基化(S-nitrosylation) (圖1)。
S-nitrosylation是一種可逆的修飾，能夠改變蛋白質的構象，影響蛋白質的活性和功能【13】。目前已有大約7000個蛋白被報道存在巰基亞硝基化修飾，包括轉錄因子、激酶、通道蛋白等。為了研究一氧化氮介導的跨物種信號轉導，作者選擇了秀麗隱桿線蟲(C. elegans) 作為研究對象。線蟲是研究共生細菌的一個良好的模式生物，它們以大腸桿菌 (E.coli) 或者枯草芽胞桿菌 (B. subtilis) 作為食物來源，這些細菌共生在線蟲的腸道中。研究發現，由細菌產生的一氧化氮能夠被線蟲吸收利用，並且延長線蟲的壽命【14】。那麼，在線蟲和細菌的共生系統中，細菌產生的一氧化氮能否對線蟲體內的蛋白進行「跨界」修飾，進而影響線蟲的生命行為呢？
作者採用了不含微生物的線蟲野生株系N2 (microbe-free, N2 strain)，分別用兩種枯草芽孢桿菌飼餵線蟲：一種為野生型，另一種是一氧化氮合酶突變的菌株(Δnos)，該突變菌株不能有效的合成一氧化氮。待線蟲生長到幼蟲的第 4 階段(Larval stage 4, L4)時，作者提取了線蟲體內的總蛋白，並且特異的分離了巰基亞硝基化修飾的蛋白。經過質譜的分析檢測，作者在飼餵野生型枯草芽孢桿菌的線蟲體內鑒定到了大約1000種巰基亞硝基化修飾的蛋白，說明共生細菌分泌的一氧化氮確實能夠對宿主體內的蛋白進行修飾。KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)富集分析的結果表明，這些巰基亞硝基化修飾的蛋白主要參與了能量利用以及細胞的代謝途徑。
在諸多被巰基亞硝基化修飾的宿主蛋白中，ALG-1是功能較為清楚並且在高等動物中保守的一類蛋白(圖2. A)。ALG-1是線蟲中的Argonaute蛋白，能夠同microRNA組裝為RISC (RNA-induced silencing complex)複合體，調控microRNA靶基因的功能。由於Argonaute蛋白的序列和功能在高等動物中保守，作者進一步檢測了哺乳動物的Argonaute蛋白之一，AGO2對外源一氧化氮的響應，發現一氧化氮也能造成AGO2的巰基亞硝基化修飾(圖2. B)。蛋白質的巰基亞硝基化修飾一般只發生在一個或者幾個關鍵的半胱氨酸的巰基上，AGO2含有22個半胱氨酸位點，作者發現只有第691位的半胱氨酸(Cys 691)是一氧化氮的作用位點。Cys 691除了在人類的四個Argonaute蛋白AGO1-AOG4中保守之外，在線蟲的ALG-1中也是保守的 (對應的位點為Cys 855)，將該位點突變則會降低ALG-1以及AGO2巰基亞硝基化修飾的比例(圖2. C-D)。
Argonaute蛋白主要包含四個結構域：N端結構域、PAZ結構域、MID結構域和PIWI結構域。其中PAZ結構域主要結合micoRNA和siRNA，而PIWI結構域負責靶基因的剪切，同時也是Argonaute和其他蛋白相互作用的區域。作者發現AGO2的巰基亞硝基化修飾位點位於PIWI結構域，毗鄰AGO2和GW182蛋白相互作用的位點。AGO2和GW182的互作對於microRNA的功能起著至關重要的作用。Argonaute蛋白通過GW182招募去腺嘌呤酶複合體(deadenylase complex)、脫帽複合體(decapping complex)以及翻譯起始複合體(translation initiation complex), 促進mRNA的降解並抑制蛋白的翻譯(圖 3) 【15】。作者發現AGO2的巰基亞硝基化修飾阻礙了AGO2和GW182的相互作用，破壞了microRNA對靶基因的抑制，這一現象在線蟲中也得到了證實。
為了進一步探究細菌介導的宿主蛋白的巰基亞硝基化修飾的作用和功能，作者利用了線蟲溫度敏感突變體let-7(n2853)，該突變體由於在let-7的序列中含有一個點突變，影響了let-7對靶基因lin-41的抑制作用，導致正常條件下線蟲無法存活。作者發現，如果用一氧化氮合酶突變的細菌飼餵 let-7(n2853)突變體，可以在分子水平上回復let-7對lin-41的抑制，並且降低線蟲的死亡率。而如果在let-7(n2853)突變的線蟲中將ALG-1的Cys 855位點進行突變，使得ALG-1的巰基亞硝基化修飾無法發生，那麼線蟲對於細菌產生的一氧化氮的水平則不再響應。以上的證據表明，由共生細菌產生的一氧化氮能夠對線蟲的基因表達進行調控，這一過程正是通過一氧化氮介導的宿主蛋白的巰基亞硝基化修飾實現的。
微生物和宿主之間的生物活性分子的交流，既能夠調控宿主細胞的功能，又會對微生物自身的行為產生影響。這篇文章證明瞭微生物的代謝產物能夠對宿主的蛋白進行廣泛的翻譯後修飾，細菌釋放的一氧化氮造成了宿主體內Argonaute蛋白的巰基亞硝基化，這一修飾位點在不同的物種中是保守的。細菌的「跨界調控」影響了宿主細胞microRNA的功能，調控了宿主的基因表達和生長發育。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.01.037
製版人：珂
參考文獻
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10. https://www.cell.com/cell/issue?pii=S0092-8674(17)X0006-8
11. Donia, M. S. & Fischbach, M. A. Small molecules from the human microbiota. Science (2015).
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13. Gould, N. et al. Regulation of protein function and signaling by reversible cysteine S-nitrosylation. J. Biol. Chem. (2013).
14. Gusarov, I. et al. Bacterial nitric oxide extends the lifespan of C. elegans. Cell (2013).
15. Sanchez, V. et al. MicroRNAs Silence Gene Expression by Repressing Protein Expression and/or by Promoting mRNA Decay. Cold Spring Harb. Symp. Quant. Biol. (2006).
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