赖氨酸2-羟基异丁酰化(Khib) 是近年来在真核细胞中发现的一种新型组蛋白翻译后修饰 (PTM) ,已被证明能够参与转录、细胞代谢等重要生命活动[1]。2018年天津医科大学基础医学院张锴教授课题组报道了Khib在原核细胞广泛分布[2]。随后张锴教授课题组进一步研究发现CobB作为一种Khib去修饰酶，介导Khib调节代谢酶活性，改变细胞生长的分子机制[3]，该文章于19年7月发表在Science Advances（IF=13.293）上。
2021年12月13日，张锴教授课题组在Nature Chemical Biology（IF=15.04）上在线发表了最新研究成果：TmcA functions as a lysine 2-hydroxyisobutyryltransferase to regulate transcription，文章结合蛋白质修饰组学分析，发现大肠杆菌中的一种乙酰转移酶TmcA，作为Khib的修饰酶，能靶向介导Khib的转录调控，提高细菌耐酸性。张锴教授是景杰生物的长期合作伙伴，景杰生物为该研究提供了赖氨酸2-羟基异丁基酰化抗体偶联树脂（PTM-804）。
GCN5相关N-乙酰基转移酶（GNAT）是大肠杆菌中唯一具有赖氨酸乙酰化酶活性的蛋白家族[4]，为了确定GNAT蛋白是否可以作为Khib转移酶，研究者首先对构建的18株GNAT蛋白过表达体系进行了Khib免疫印迹筛选，发现TmcA菌株内Khib水平明显升高。为了进一步证实TmcA的催化活性，研究者构建了2-羟基异丁酰辅酶a（Hib-CoA) 与TmcA结合，并使用等温滴定量热法 (ITC) 检测证实了TmcA的催化活性，随后确定了R502是TmcA催化Khib酶活性的关键位点。
图 TmcA的R502位点是TmcA催化Khib的关键位点
研究者进一步采用基于质谱的蛋白质修饰组学技术探究了大肠杆菌中TmcA靶向调控Khib的内源性底物，鉴定出467个TmcA显著调控的Khib位点，通过富集分析显示Khib受TmcA调控的底物蛋白可能参与了细胞转录和翻译。进一步分析发现，在TmcA 敲除细胞中，H-NS（一种抑制细菌转录的类组蛋白）的K121位点的Khib显著下调，这说明TmcA 可以通过在K121处催化Khib来特异性调节H-NS的DNA结合活性。而先前的研究报道，H-NS通过沉默与酸耐受力相关的基因来调节耐酸性[5]。
图 定量蛋白组分析大肠杆菌中TmcA调控Khib的内源性底物
接下来为了探究TmcA对H-NS K121hib调控的机制，研究者通过分子学及微生物学实验，发现TmcA通过上调H-NS K121hib，降低H-NS的dna结合能力，促进抗酸基因转录，进而提高大肠杆菌在酸胁迫下的存活率的分子机制。
图 TmcA调控H-NS的K121hib，促进酸胁迫下抗酸相关基因的转录
综上所述，该研究发现TmcA是大肠杆菌中的Khib修饰酶，R502是催化其酶活性的关键位点。运用蛋白质修饰组学分析明确了其作用的关键位点，揭示出TmcA介导Khib调控转录进一步影响细菌耐酸性的作用机制。细菌作为发酵产物的重要来源，这一发现也为解决工业生产中环境酸压所带来的不可避免的问题提供了新的思路。
图 TmcA介导Khib调控转录和细菌耐酸性的分子机制示意图
参考文献
1. Dai, L.et al.2014.Lysine 2-hydroxyisobutyrylation is a widely distributed active histone mark.Nat. Chem. Biol.
2. Dong, H.et al.2018.Systematic identification of lysine 2-hydroxyisobutyrylated proteins in Proteus mirabilis.Mol. Cell. Proteomics.
3. Dong H ,et al.2019. Protein lysine de-2-hydroxyisobutyrylation by CobB in prokaryotes.Science Advances.
4. Christensen, D. G.et al.2018. Identification of novel protein lysine acetyltransferases in Escherichia coli.mBio.
5. Krin, E.,et al.2010. Decrypting the H-NS-dependent regulatory cascade of acid stress resistance in Escherichia coli.BMC Microbiol.
6. Dong, H.,et al.2021. TmcA functions as a lysine 2-hydroxyisobutyryltransferase to regulate transcription.Nat Chem Biol .