近日，農業微生物學全國重點實驗室、湖北洪山實驗室、華中農業大學動物育種與健康養殖前沿科學中心晏向華教授團隊研究成果以“Lysine crotonylation regulates leucine-deprivation-induced autophagy by a 14-3-3ε-PPM1B axis”為題在Cell Reports發表，研究揭示了亮氨酸通過賴氨酸巴豆酰化修飾途徑調節自噬起始過程的分子機制。
生豬精準飼養的重要前提之一是盡可能多地解析營養物質在體內的消化、吸收和代謝過程中的生化代謝途徑及其營養生理功能。亮氨酸作為豬必需氨基酸之一，主要功能之一是作為底物參與蛋白質合成，近年還發現其可作為信號分子參與營養物質代謝過程。當機體處于亮氨酸饑餓等營養物質缺乏的應激狀態時，自噬過程會被激活，自噬體包裹待降解的底物與溶酶體融合，內容物在溶酶體水解酶的作用下被降解，降解產生的小分子營養物質會重新被機體吸收利用，以滿足應激條件下的營養需要，維持機體穩態。亮氨酸饑餓誘導的自噬過程受到多種蛋白質翻譯后修飾的嚴格調控，然而是否有新型翻譯后修飾形式參與其中尚不清楚。
研究人員首先鑒定到亮氨酸饑餓過程中賴氨酸巴豆酰化修飾顯著上調，當飼喂亮氨酸饑餓日糧一周后動物肝臟巴豆酰化修飾水平亦顯著增加。巴豆酰化修飾激活劑NaCr處理提高巴豆酰化修飾的同時，會激活細胞自噬過程的發生。因此，這一結果提示巴豆酰化修飾在體外或體內都與自噬水平呈現正相關的關系。
接下來，研究人員通過賴氨酸巴豆酰化修飾蛋白質組學鑒定到了一系列受亮氨酸調控的巴豆酰化修飾蛋白。通過生物信息學數據及驗證試驗，進一步發現14-3-3ε 蛋白的K73和K78巴豆酰化修飾可能在亮氨酸饑餓誘導自噬過程中發揮重要作用。14-3-3ε蛋白巴豆酰化缺失突變K73R和K78R可顯著抑制細胞自噬過程的發生。通過14-3-3ε蛋白巴豆酰化修飾分子動力學模擬試驗，K73和K78巴豆酰化修飾可顯著增加蛋白質分子構象不穩定性，使蛋白質分子二級結構處于一種無序的狀態。
最后，研究人員鑒定到PPM1B蛋白是14-3-3ε蛋白下游效應分子，該蛋白與14-3-3ε蛋白的互作會在亮氨酸饑餓處理后消失，PPM1B與14-3-3ε的互作又受到HDAC7調節的巴豆酰化修飾的調控，而PPM1B是自噬起始因子ULK1的磷酸酶。綜上，該研究揭示了亮氨酸缺失首先抑制HDAC7活性，上調14-3-3ε蛋白的巴豆酰化修飾水平，促使PPM1B蛋白與其發生解離，釋放的PPM1B去磷酸化ULK1，進而激活自噬起始過程的發生的分子機制，為生豬精準飼料配方設計提供理論基礎。
農業微生物學全國重點實驗室、湖北洪山實驗室、動物育種與健康養殖前沿科學中心博士研究生鄭子龍為第一作者，上海交通大學醫學院鐘清教授和華中農業大學動物科技學院動物醫學院晏向華教授為共同通訊作者。該研究受到了國家自然科學基金、國家重點基礎研究項目（“973”計劃）的資助。
【英文摘要】
Lysine crotonylation as a protein post-translational modification regulates diverse cellular processes and functions. However, the role of crotonylation in nutrient signaling pathways remains unclear. Here, we find a positive correlation between global crotonylation levels and leucine-deprivation-induced autophagy. Crotonylome profiling identifies many crotonylated proteins regulated by leucine deprivation. Bioinformatics analysis dominates 14-3-3 proteins in leucine-mediated crotonylome. expression of 14-3-3ε crotonylation-deficient mutant significantly inhibits leucine-deprivation-induced autophagy. Molecular dynamics analysis shows that crotonylation increases molecular instability and disrupts the 14-3-3ε amphipathic pocket through which 14-3-3ε interacts with binding partners. Leucine-deprivation-induced 14-3-3ε crotonylation leads to the release of protein phosphatase 1B （PPM1B） from 14-3-3ε interaction. Active PPM1B dephosphorylates ULK1 and subsequently initiates autophagy. We further find that 14-3-3ε crotonylation is regulated by HDAC7. Taken together, our findings demonstrate that the 14-3-3ε-PPM1B axis regulated by crotonylation may play a vital role in leucine-deprivation-induced autophagy.
論文鏈接：https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247（22）01742-9
日期：2023-01-29
生豬精準飼養的重要前提之一是盡可能多地解析營養物質在體內的消化、吸收和代謝過程中的生化代謝途徑及其營養生理功能。亮氨酸作為豬必需氨基酸之一，主要功能之一是作為底物參與蛋白質合成，近年還發現其可作為信號分子參與營養物質代謝過程。當機體處于亮氨酸饑餓等營養物質缺乏的應激狀態時，自噬過程會被激活，自噬體包裹待降解的底物與溶酶體融合，內容物在溶酶體水解酶的作用下被降解，降解產生的小分子營養物質會重新被機體吸收利用，以滿足應激條件下的營養需要，維持機體穩態。亮氨酸饑餓誘導的自噬過程受到多種蛋白質翻譯后修飾的嚴格調控，然而是否有新型翻譯后修飾形式參與其中尚不清楚。
研究人員首先鑒定到亮氨酸饑餓過程中賴氨酸巴豆酰化修飾顯著上調，當飼喂亮氨酸饑餓日糧一周后動物肝臟巴豆酰化修飾水平亦顯著增加。巴豆酰化修飾激活劑NaCr處理提高巴豆酰化修飾的同時，會激活細胞自噬過程的發生。因此，這一結果提示巴豆酰化修飾在體外或體內都與自噬水平呈現正相關的關系。
接下來，研究人員通過賴氨酸巴豆酰化修飾蛋白質組學鑒定到了一系列受亮氨酸調控的巴豆酰化修飾蛋白。通過生物信息學數據及驗證試驗，進一步發現14-3-3ε 蛋白的K73和K78巴豆酰化修飾可能在亮氨酸饑餓誘導自噬過程中發揮重要作用。14-3-3ε蛋白巴豆酰化缺失突變K73R和K78R可顯著抑制細胞自噬過程的發生。通過14-3-3ε蛋白巴豆酰化修飾分子動力學模擬試驗，K73和K78巴豆酰化修飾可顯著增加蛋白質分子構象不穩定性，使蛋白質分子二級結構處于一種無序的狀態。
最后，研究人員鑒定到PPM1B蛋白是14-3-3ε蛋白下游效應分子，該蛋白與14-3-3ε蛋白的互作會在亮氨酸饑餓處理后消失，PPM1B與14-3-3ε的互作又受到HDAC7調節的巴豆酰化修飾的調控，而PPM1B是自噬起始因子ULK1的磷酸酶。綜上，該研究揭示了亮氨酸缺失首先抑制HDAC7活性，上調14-3-3ε蛋白的巴豆酰化修飾水平，促使PPM1B蛋白與其發生解離，釋放的PPM1B去磷酸化ULK1，進而激活自噬起始過程的發生的分子機制，為生豬精準飼料配方設計提供理論基礎。
農業微生物學全國重點實驗室、湖北洪山實驗室、動物育種與健康養殖前沿科學中心博士研究生鄭子龍為第一作者，上海交通大學醫學院鐘清教授和華中農業大學動物科技學院動物醫學院晏向華教授為共同通訊作者。該研究受到了國家自然科學基金、國家重點基礎研究項目（“973”計劃）的資助。
【英文摘要】
Lysine crotonylation as a protein post-translational modification regulates diverse cellular processes and functions. However, the role of crotonylation in nutrient signaling pathways remains unclear. Here, we find a positive correlation between global crotonylation levels and leucine-deprivation-induced autophagy. Crotonylome profiling identifies many crotonylated proteins regulated by leucine deprivation. Bioinformatics analysis dominates 14-3-3 proteins in leucine-mediated crotonylome. expression of 14-3-3ε crotonylation-deficient mutant significantly inhibits leucine-deprivation-induced autophagy. Molecular dynamics analysis shows that crotonylation increases molecular instability and disrupts the 14-3-3ε amphipathic pocket through which 14-3-3ε interacts with binding partners. Leucine-deprivation-induced 14-3-3ε crotonylation leads to the release of protein phosphatase 1B （PPM1B） from 14-3-3ε interaction. Active PPM1B dephosphorylates ULK1 and subsequently initiates autophagy. We further find that 14-3-3ε crotonylation is regulated by HDAC7. Taken together, our findings demonstrate that the 14-3-3ε-PPM1B axis regulated by crotonylation may play a vital role in leucine-deprivation-induced autophagy.
論文鏈接：https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247（22）01742-9
日期：2023-01-29
