文献解读
IJMS2019-广泛水稻幼苗赖氨酸琥珀酰化蛋白质组学分析
赖氨酸琥珀酰化（Ksu）是一种动态可逆的翻译后修饰，在许多生物过程中发挥着重要作用。水稻是人类最重要的农作物之一，为世界一半以上的人口提供主食。在对栽培稻和野生稻进行测序和功能基因鉴定后，已成为单子叶植物育种和生物学研究的模式。尽管最近的研究已经分析了Ksu植物的蛋白质组，但对Ksu在水稻幼苗中的范围和细胞分布知之甚少。本文报道了水稻幼苗的高质量蛋白质组比例Ksu数据。在346个具有不同生物学功能和亚细胞定位的蛋白质中，一共鉴定出710个Ksu位点。约54%的位点被预测定位在叶绿体中。检测到6个假定的琥珀酰化基序。与琥珀酰化数据的对比分析表明，位于Ksu位点下游的精氨酸（R）是围绕琥珀酰化赖氨酸最保守的氨基酸。KEGG途径分类富集分析表明，碳代谢、三羧酸循环（TCA）循环、氧化磷酸化、光合作用以及乙醛和二元酸代谢途径显著富集。同时作者比较了水稻胚胎（261个蛋白质和665个赖氨酸琥珀酰化位点）和水稻幼苗的Ksu数据，发现了两种水稻组织之间的Ksu位点。
1.水稻Ksu位点的整体分析
作者通过琥珀酰化蛋白质组学分析一共得到346个蛋白质和710个琥珀酰化位点。大多数肽的长度在8到20个氨基酸之间，这与胰蛋白酶肽的特征一致。作者为了进一步了解这些识别蛋白的功能和特点，对几个不同的类别进行了注释，包括GO、蛋白质结构域、KEGG途径和亚细胞定位。琥珀酰化肽的三个质谱如图1所示。
2.琥珀酰化赖氨酸基序分析
作者通过Motif-X分析确定围绕琥珀酰化赖氨酸的保守基序，在本文中发现了六个保守的基序。发现琥珀酰位被精氨酸(R)、赖氨酸(K)或酪氨酸(Y)在下游方向或谷氨酰胺(Q)在上游方向包围。精氨酸（R）是围绕琥珀酰化赖氨酸的最保守氨基酸（图2B）；在Ksu保守基序下游的+4、+5和+8位置发现了三个R残基。围绕琥珀酰化赖氨酸的其他三种保守氨基酸是赖氨酸（K）、谷氨酰胺（Q）和酪氨酸（Y）（图2A）。
3. 琥珀酰化蛋白的GO分类和亚细胞内的分布
作者为了更好地了解水稻中琥珀酰化蛋白的细胞功能对所有已鉴定的蛋白质进行GO功能（生物过程、分子功能和细胞成分（图3A））分类。对于生物过程，最大的一组包括263个参与代谢过程的琥珀酰化蛋白，其次是221个参与细胞过程的Ksu蛋白。在分子功能方面，近一半的蛋白质（216）具有催化活性，另一半（212）具有结合活性。如果我们把蛋白质归类为细胞成分，255种蛋白质定位在细胞器中，157种定位在细胞膜中。
为了了解琥珀酰化蛋白的分布，作者分析了所鉴定的346个蛋白的亚细胞定位。超过一半的蛋白质（54%）被预测定位在叶绿体中，21%定位在胞浆中，14%定位在线粒体中，只有少数蛋白质位于胞外空间（3%）、细胞核（3%）和质膜（2%）（图3B）。
4. 水稻琥珀酰化蛋白的结构域富集
作者推测水稻琥珀酰亚胺中可能富含一些特异性蛋白质，对琥珀酰亚胺进行了蛋白质结构域富集分析（图4），发现其中20个蛋白质结构域显著富集，包括单杂交基序、2-氧酸脱氢酶、脂酰结合位点、生物素/脂酰结合结构域和NAD（P）结合结构域。在生物素/脂酰载体蛋白中发现了一个单一的杂化基序；生物素/硫辛酸在催化代谢反应的酶中起共价辅助因子的作用。同时发现甘油醛-3-磷酸脱氢酶(GAPDH)是NAD(P)结合结构域数量最多的酶。 GAPDH是维持细胞ATP水平和碳水化合物代谢的关键。 在动物、拟南芥和水稻中，GAPD H蛋白被乙酰化。
5.蛋白质琥珀酰化调节水稻多种代谢途径
为了确定哪类途径是赖氨酸琥珀酰化的首选靶点，作者进行了KEGG途径富集分析。发现蛋白质琥珀酰化涉及多种代谢途径，包括碳代谢、三羧酸循环（TCA循环）、氧化磷酸化、光合作用、乙醛酸和二元酸代谢。三羧酸循环(TCA)中大多数琥珀酰-CoA合成及相关酶，如琥珀酰-CoA连接酶β亚基(Q6K9N6)和二氢脂酰胺琥珀酰转移酶(Q7XVM2)，均为琥珀酰化(图5A)。
作者发现在许多与光合作用相关的蛋白质亚基中存在琥珀酰化，如采光叶绿素蛋白复合物（LHC）中的Lhca1、Lhcb1、Lhcb2、Lhcb4和Lhcb6（图5B），以及光系统I I中的PsbC、PsbB、PsbO、PsbP、PsbQ、PsbR、PsbS、PsaA、PsaB、PsaD、PsaK、PsaL，细胞色素b6/f复合物中的PetC，光系统电子传递和β、α、γ、epsilonf型atp酶中的PetH（图5C）。赖氨酸琥珀酰化也参与碳代谢，包括碳固定。同时发现赖氨酸琥珀酰化几乎发生在Calvin循环的每个分支中：许多蛋白质，如果糖-1,6-双磷酸酶、磷酸甘油酸激酶和磷酸布洛激酶，被鉴定为琥珀酰化蛋白质。
6. 组蛋白中的赖氨酸琥珀酰化
在酵母、细菌、动物、番茄和水稻等植物中，组蛋白的琥珀酰化反应已被报道。在本研究中，作者发现组蛋白H3K23，H3K56，H3K79，H4K31发生了琥珀酰化修饰。H3K56的琥珀酰化以前在弓形虫、果蝇、毛虫和沙皮虫中发现。 在黑色素、毛霉、智人、酿酒酵母和番茄红素中也发现了H3K79和H4K31，表明这些琥珀酰化位点在真核生物中是保守的。 在H3K23中已经报道了许多不同的PTMS，包括丙酰化、泛素化和甲基化，但没有发现琥珀酰化。 在本研究中，发现H3K23可以被琥珀化。
7.水稻胚胎和幼苗赖氨酸琥珀酰化蛋白的比较
最近，对水稻种子胚赖氨酸乙酰化和琥珀酰化进行了蛋白质组分析：在261个蛋白质中鉴定出665个赖氨酸琥珀酰化位点。琥珀酰化蛋白定位于胞浆（36%）、叶绿体（30%）、线粒体（13%）和细胞核（10%）。在本研究中，作者发现与胚胎相比更多的琥珀酰化蛋白定位在水稻幼苗叶绿体（54%；图3B）。
作者通过比较水稻幼苗和胚胎中的琥珀酰化蛋白。在水稻胚胎和幼苗中只发现了80种蛋白，包括Q9AUV6（UDP葡萄糖6脱氢酶3）、Q69QQ6（热休克蛋白81-2）、Q53LQ0（胚乳贮藏蛋白2）和Q6ZKC0（14-3-3样蛋白GF14c）。在这80种蛋白质中，来自67种蛋白质的122个琥珀酰化位点重叠（图6A，B）。大多数重叠的琥珀酰化蛋白定位在叶绿体（41%）、细胞溶胶（26%）和线粒体（26%；图6C）。这些重叠的蛋白质有一半参与不同的代谢途径。例如，琥珀酸半醛脱氢酶B9F3B6，异柠檬酸脱氢酶Q9SDG5和Q7XMA0，甘油醛3-磷酸脱氢酶Q0J8A4和Q7FAH2参与碳代谢，醛脱氢酶Q9FRX7参与糖酵解，核苷二磷酸激酶Q5TKF4参与嘌呤代谢。UTP-葡萄糖-1-磷酸尿苷转移酶Q93X08、UDPglucose 6-脱氢酶Q9AUV6和磷酸葡萄糖变位酶Q9AUQ4参与淀粉和蔗糖代谢。
8. 水稻幼苗赖氨酸琥珀酰化和乙酰化反应的研究
本研究发现134种蛋白质在胚胎中可以乙酰化和琥珀酰化，73种蛋白质中有131个位点重叠（图7A，B）。作者比较了目前的琥珀酰化数据和之前分析水稻幼苗中赖氨酸乙酰化的乙酰化数据，发现124个蛋白质可以乙酰化和琥珀酰化（图7D，E），而68个蛋白质中只有104个位点重叠。
水稻胚胎和幼苗中的重叠蛋白广泛分布于细胞质、线粒体、细胞核、质膜、过氧化物酶体和叶绿体中（图7C、F）。水稻幼苗叶绿体中PTM重叠蛋白较多（56%），胞浆中PTM重叠蛋白较少（25%），而水稻胚叶绿体中PTM重叠蛋白占27%，胞浆中PTM重叠蛋白占44%。组蛋白H3（Q2RAD9）和组蛋白H4（Q7XUC9）在水稻幼苗中都是琥珀酰化和乙酰化的，而组蛋白H4只能在水稻胚中乙酰化。只有29个重叠的PTM蛋白在水稻胚胎和幼苗中被发现，9个蛋白中只有9个修饰位点可以同时被琥珀酰化和乙酰化。这9种蛋白质分别是Q0IXR7、Q43008、Q5N725、Q6F361、Q6ZH98、Q7XXS0、Q9ASP4、Q9AUQ4和Q9SXP2。
