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賴氨酸的甲基化修飾是一種廣泛存在的蛋白質翻譯后修飾方式，該修飾是以S-腺苷甲硫氨酸(SAM)為甲基供體，在甲基轉移酶的催化下，將甲基基團轉移至賴氨酸ε-氨基上，形成甲基化的賴氨酸。甲基化修飾并不改變氨基酸的電荷狀態，但甲基化殘基的體積和疏水性增加會影響蛋白質-蛋白質相互作用和蛋白質識別，從而在細胞代謝等眾多生物學過程中發揮重要的調控作用。雖然賴氨酸甲基化修飾與甲基轉移酶最早都是在原核生物中被發現的，但是目前對于藍細菌中的甲基轉移酶仍知之甚少，發現并鑒定新的甲基轉移酶及其作用底物將有助于對甲基化修飾的功能及其調控網絡更全面、深入的理解。
中國科學院水生生物研究所葛峰團隊前期在藍細菌中鑒定到270個甲基化修飾蛋白，這些蛋白在光合作用以及能量代謝通路中廣泛分布（Genomics Proteomics Bioinformatics，2020:S1672-0229(18) 30224-9），但在藍細菌中仍然缺乏對甲基轉移酶的系統鑒定和功能研究。近期，該研究團隊對藍細菌Synechocystis sp. PCC 6803中所有可能的甲基轉移酶進行系統鑒定，通過體外甲基化反應并結合構建敲除株后的表型結果，發現了一個新的賴氨酸甲基轉移酶cKMT1，該基因敲除后導致藍細菌的光合作用過程受到顯著影響，提示cKMT1調控的底物蛋白甲基化修飾可能參與了藍細菌的光合作用進程（圖1）。
圖1. 藍細菌中甲基轉移酶的鑒定與功能研究
為了揭示藍細菌甲基轉移酶cKMT1的功能作用機制，該研究團隊運用了最新的4D非標記定量蛋白質組學技術，系統鑒定到58個cKMT1調控的內源性靶標蛋白，包括藻膽蛋白、光系統II、光系統I、電子傳遞鏈的核心蛋白等，它們廣泛的參與了光合系統的能量傳遞和轉化進程（圖2）。
圖2. cKMT1調控的內源性靶標蛋白鑒定
進一步功能實驗結果表明，cKMT1能夠與鐵氧還蛋白(FNR)相互作用，并能夠催化FNR的139位賴氨酸三甲基化和208位賴氨酸單甲基化修飾?；诮Y構模擬、分子對接以及動力學分析發現，cKMT1的118位的組氨酸和第219位的酪氨酸能夠與甲基化供體SAM形成穩定的氫鍵；通過點突變實驗證實，這兩個位點對維持cKMT1蛋白酶活性方面發揮重要作用（圖3）。
圖3. cKMT1催化FNR甲基化修飾
該研究還發現cKMT1通過催化FNR蛋白139位賴氨酸甲基化修飾，改變FNR的氧化還原酶活性，并影響光合電子傳遞過程，揭示了cKMT1調控底物蛋白的甲基化修飾并發揮功能的作用機制（圖4）。該研究首次完成了藍細菌中甲基轉移酶的系統鑒定并發現了一個全新的甲基轉移酶cKMT1，闡明了cKMT1在藍細菌中的功能與調控機制，提出了甲基轉移酶通過調控底物蛋白的甲基化修飾從而影響光合作用過程的機理，為闡明藍細菌的蛋白質翻譯后修飾系統在光合作用過程中的功能及其分子調控機制打下了基礎。
圖4. cKMT1調控底物蛋白的甲基化修飾并發揮功能的作用機制
研究成果“cKMT1 is a new lysine methyltransferase that methylates the ferredoxin-NADP(+) oxidoreductase (FNR) and regulates energy transfer in cyanobacteria”在線發表于國際專業雜志Molecular & Cellular Proteomics，水生所博士生曹高祥為該論文的第一作者，葛峰研究員和楊明坤高級實驗師為論文通訊作者。該研究得到自然科學基金，國家重點研發計劃，中國博士后科學基金和淡水生態與生物技術國家重點實驗室項目的資助。
文章鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1535947623000312?via%3Dihub