Zhang X, Ning Z, Mayne J, Yang Y, Deeke SA, Walker K, Farnsworth CL, Stokes MP, Couture JF, Mack D, Stintzi A, Figeys D.
Nat Commun. 2020 Aug 17;11(1):4120.
doi: 10.1038/s41467-020-17916-9. PMID: 32807798; PMCID: PMC7431864.
腸内マイクロバイオームは、積極的に人間の健康に影響を与えるため、人体内の重要な器官だと考えられている。腸内細菌叢の異常は、肥満、糖尿病、クローン病、癌、心血管疾患を含む無数の疾患と関連していることが報告されている。ここ数年、メタゲノム、メタトランスクリプトーム、メタプロテオミクスなどのメタオミクス的アプローチが、これらの疾患を持つ患者のマイクロバイオーム組成と機能の変化を研究するために適用されている。しかし、タンパク質の活性を制御することが知られている翻訳後修飾の、マイクロバイオームによる制御プロセスについて、ほとんど知られていない。実際、ヒトマイクロバイオームにおける翻訳後修飾の網羅的かつ詳細な解析に関する研究も、メタプロテオームレベルでの効率的な翻訳後修飾プロファイリングのための技術も、現在のところ公表されていない。
アセチル化は真核生物と原核生物の両方において重要な翻訳後修飾である。特に、リジンアセチル化（Kac）は、転写や代謝を含む様々な生物学的プロセスの制御に関与している。アセチル化は、リン酸化などの代謝調節に関与する他の翻訳後修飾と比較して、微生物では高いレベルで発現している。細菌では、酵素的および非酵素的なアセチル化機構の両方が存在するため、タンパク質の最大40％がアセチル化される可能性がある。タンパク質Kacは、大腸菌、枯草菌、サルモネラ菌、結核菌を含むいくつかの単一の細菌種で特徴づけられており、広く化学走性、栄養代謝、ストレス応答、および病原性を含む様々な微生物プロセスに関与している。大腸菌では、アセテート代謝の酵素活性はアセチル化によって制御されている。アセチルリン酸やアセチル-CoAなどのアセテート代謝中間体は、代謝酵素を非酵素的にアセチル化したり、酵素的なリジンアセチル化のためにアセチルドナーを提供したりする。このように、微生物はアセチル化を介して細胞代謝を制御するエレガントなメカニズムを進化させている可能性がある。
腸内マイクロバイオームの最も重要な代謝機能の一つは、短鎖脂肪酸を生成する難消化性食物繊維の発酵である。短鎖脂肪酸は、腸細胞に栄養を与え、酸性腸内環境を維持し、それによって腸のバリア機能を保護する。短鎖脂肪酸生産細菌は、少なくとも部分的にはクローン病などの多くの疾患の進展の根底にある複雑な宿主-微生物の相互作用を媒介する。これまでにマイクロバイオームレベルでのタンパク質Kacの変化を調べた研究はなく、患者のマイクロバイオームでKacレベルが変化するかどうかは不明であった。短鎖脂肪酸代謝の調節におけるKacの潜在的な役割を考えると、ヒトの腸内マイクロバイオームにおけるKacの研究は、クローン病における腸内マイクロバイオームの役割をよりよく理解するのに役立つかもしれない。
本研究では、まずマイクロバイオームKacの特性づけのための実験的・バイオインフォマティクス的ワークフローを確立する。免疫アフィニティベースアプローチによって、マイクロバイオームタンパク質消化物のKacペプチドを濃縮し、溶出したペプチドをOrbitrapベースの質量分析計で分析し、MSデータを本研究で開発した統合メタプロテオミクス/リジンアセチロミクス バイオインフォマティクスワークフローを使用して処理した。合計で31,821個のKac部位に対応する35,200個のKacペプチドがヒトまたは微生物タンパク質から同定された。これはヒトマイクロバイオーム中のKacタンパク質を網羅的に解析したものであり、リジンアセチローム研究において最多のサイト同定数である。このアプローチをクローン病の子供の腸内マイクロバイオーム解析に用いることで、52の宿主と136の微生物タンパク質のKac部位が、クローン病患者と対照群で異なる頻度で存在していることが明らかになった。免疫関連タンパク質などの宿主タンパク質のKacのアップレギュレーションと、短鎖脂肪酸生産者として知られるFirmicutesのタンパク質のKacのダウンレギュレーションが確認された。本研究はマイクロバイオーム中のリジンアセチロームを研究するための効率的なワークフローを提供するものであり、その結果により小児のクローン病における腸内環境の異常についての更なる情報を提供した。
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