蛋白适配体AcuB介导的Ap4A依赖型蛋白质乙酰化调控机制

《Nature Communications》：A protein adaptor mediating Ap4A-dependent control of protein acetylation

本研究揭示了Bacillus subtilis中一种由警报分子二腺苷四磷酸（Ap4A）调控蛋白质去乙酰化酶（HDAC）活性的新机制。研究人员发现，未知蛋白AcuB通过形成稳定复合物抑制HDAC样蛋白AcuC的活性。Ap4A结合AcuB的CBS结构域，增强了这种抑制。该发现阐明了一种全新的HDAC样蛋白调控通路，将细胞应激反应、蛋白质乙酰化与乙酰-CoA生物合成联系起来，对理解代谢与基因表达调控具有重要意义。

　　

在生命活动的精密舞台上，蛋白质的“装扮”决定着它的角色和功能。其中，可逆的赖氨酸乙酰化就像一种广泛使用的“化学标签”，从细菌到人类的所有生命领域中都高度保守，深刻调控着新陈代谢、基因表达等核心生命过程。然而，科学家们对于细胞如何精确控制这种“贴标签”与“撕标签”的平衡——即蛋白质乙酰化与去乙酰化的动态调节——仍知之甚少。特别是，对于那些执行“撕标签”任务的组蛋白去乙酰化酶（HDAC）及其同源蛋白，我们对其活性开关的认识存在巨大空白。这种认知的缺失，阻碍了我们全面理解细胞如何通过乙酰化这一关键信号来响应环境变化、协调内部运作。为了揭开这一谜团，研究人员将目光投向了一种古老的警报信号分子——二腺苷四磷酸（Ap₄A）。当细胞感受到压力，比如饥饿或遭遇其他逆境时，Ap₄A的水平会迅速升高，像烽火一样传递警报。但它如何影响蛋白质乙酰化状态，一直是个未解之谜。本研究正是为了探索Ap₄A能否以及如何调控HDAC样蛋白的活性，从而在应激反应与乙酰化修饰之间架起一座分子桥梁。

为了回答上述问题，研究人员以模式生物枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）为研究对象，综合运用了多种关键生物化学与分子生物学技术。主要技术手段包括：蛋白质纯化与复合物形成分析，用于鉴定AcuB与AcuC的相互作用；体外酶活抑制实验，定量评估AcuB对AcuC去乙酰化酶活性的影响；等温滴定量热法（ITC）与微量热泳动（MST），用于精确测定Ap₄A与AcuB蛋白CBS结构域的结合亲和力；以及结构域缺失突变分析，以验证CBS结构域在Ap₄A结合与功能中的关键作用。此外，研究还利用了针对特定乙酰化底物（如乙酰-CoA合成酶AcsA和翻译延伸因子EF-Tu）的功能分析，来探究该调控通路的生理学后果。

AcuC是一种具有多种底物的HDAC样去乙酰化酶

研究人员首先确认了AcuC在枯草芽孢杆菌中的去乙酰化酶功能。研究表明，AcuC能够对多个关键蛋白进行去乙酰化，其中包括催化乙酰-CoA合成的乙酰-CoA合成酶（AcsA）以及参与蛋白质合成的翻译延伸因子EF-Tu。这确立了AcuC在连接乙酰-CoA代谢与蛋白质合成等重要细胞过程中的核心地位。

AcuB通过与AcuC形成稳定复合物来抑制其活性

研究团队发现了一个此前功能未知的蛋白AcuB。通过一系列生化实验，他们证明AcuB能够与AcuC直接结合，形成一种稳定的蛋白质复合物。更重要的是，这种结合显著抑制了AcuC的去乙酰化酶活性。因此，AcuB被鉴定为一种新型的、蛋白质性质的去乙酰化酶抑制剂。

警报分子Ap₄A结合AcuB的CBS结构域并增强其对AcuC的抑制

为了探究外界信号如何调控这一抑制系统，研究人员检测了警报分子Ap₄A的作用。他们发现Ap₄A能够特异性地与AcuB蛋白中的一个名为胱硫醚β-合酶（Cystathionine β-synthase， CBS）的结构域结合。这种结合不仅稳定了AcuB蛋白本身，还进一步强化了AcuB-AcuC复合物的形成，从而更有效地抑制AcuC的活性。这意味着，当细胞处于压力状态导致Ap₄A水平升高时，AcuC的活性会受到更强烈的遏制。

AcuB作为Ap₄A调控的去乙酰化抑制剂

综合以上发现，本研究提出了一个完整的调控模型：AcuB作为一种蛋白质适配体或抑制剂，其功能受Ap₄A的变构调节。在基础状态下，AcuB持续抑制AcuC，控制基础乙酰化水平。当细胞应激导致Ap₄A积累时，Ap₄A结合AcuB，使其构象稳定并增强其抑制能力，从而更大幅度地关闭AcuC的活性。这导致AcuC的底物（如AcsA）的乙酰化水平升高。

该项研究结论清晰地阐明了一种前所未有的HDAC样蛋白活性调控机制。它首次揭示了AcuB是一个受Ap₄A调控的去乙酰化抑制剂（Ap₄A-regulated deacetylation inhibitor）。这一发现具有多重重要意义：首先，它在分子水平上直接连接了经典的应激警报信号（Ap₄A）与蛋白质乙酰化修饰这一表观遗传和代谢调控的关键环节，为理解细胞如何协调应激响应与基因表达、代谢重编程提供了新范式。其次，该研究拓展了我们对CBS结构域功能的认识，证实其可作为小分子警报信号的感受器。最后，由于AcuC的底物包括乙酰-CoA合成酶，该调控通路直接影响着乙酰-CoA这一中心代谢物和乙酰化供体的生物合成，从而形成了一个将应激感知、乙酰化修饰与代谢物供应整合于一体的精细调控网络。这项发表于《自然-通讯》（Nature Communications）的工作，不仅为解决“HDAC样蛋白如何被调控”这一基础生物学问题提供了关键答案，也为未来探索其他生物中是否存在类似的警报分子调控的乙酰化通路奠定了基础，对生物化学、微生物学及代谢疾病研究领域均有启示价值。