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科研进展:肠道菌群通过S-亚硝基化调控miRNA

关于肠道微生物和miRNA的联系,小张在2016年6月已经介绍过一篇宿主通过microRNA调控肠道微生物多样性的文章,时隔2年半我们再介绍一篇肠道菌群调控宿主miRNA产生和发育的Cell:Regulation of MicroRNA Machinery and Development by Interspecies S-Nitrosylation.Cell. 2019 Feb 21;176(5):1014-1025.e12. 

下面先看这篇文章说的主题:肠道微生物产生的NO(一氧化氮)导致宿主(线虫)广泛的蛋白S-亚硝基化修饰(蛋白翻译后修饰PTM的一种),从而导致宿主miRNA和基因表达失调,最终影响到宿主发育过程。

即:肠道菌群——NO——蛋白S-亚硝基化修饰——miRNA和基因表达失调——宿主发育。


文章的GA如下:

下面我们看文章的研究思路。


1. 菌群来源的NO导致蛋白S-亚硝基化


为了建立菌群来源的NO蛋白S-亚硝基化的联系,将无菌线虫分别移植NOS敲除的枯草芽孢杆菌和NarG敲除的大肠杆菌(NOS和NarG是NO产生相关的两类酶),结果发现敲除组蛋白S-亚硝基化水平显著降低:

然后富集S-亚硝基化修饰的蛋白(SNO-RAC)后进行质谱检测,并通过KEGG功能富集研究蛋白的功能,在对影响的细胞功能进行分析后把重点放到ALG-1(Argonaute相关蛋白,参与miRNA对mRNA的调控过程)上,接下来就是研究菌群来源的NO对ALG-1的S-亚硝基化影响:

结果发现菌群来源的NO促进ALG-1的S-亚硝基化。


2. Argonaute蛋白的S-亚硝基化发生在进化保守的半胱氨酸(Cys)上


简单来说,线虫里面的ALG-1对应到人的蛋白是AGO2。首先是(通过GPS-SNO)预测AGO2的S-亚硝基化修饰位点;接下来体外把AGO2与NO供体CysNO共孵育,并通过AGO2抗体进行pulldown后质谱分析,结果发现Cys691位点是一直被鉴定到的,接下来是对Cys691进行突变(Ser),并研究对AGO2的亚硝基化修饰影响;

最后,AGO2的Cys691位点在多物种高度保守。


3.S-亚硝基化抑制 Argonaute蛋白与GW182蛋白的结合,和miRNA介导的mRNA沉默


Argonaute蛋白既可以与RNA结合,又可以与GW182蛋白结合,分析发现Cys691位点离与RNA结合的结构域比较远,因此排除对RNA结合的影响;

为了探索S-亚硝基化对Argonaute蛋白与GW182蛋白结合的影响,通过免疫沉淀技术进行研究,结果发现S-亚硝基化抑制了Argonaute蛋白与GW182蛋白的结合:

接下来通过荧光素酶报告基因实验验证S-亚硝基化对miRNA调控靶基因的影响:


4. ALG-1的S-亚硝基化通过调控miRNA活性影响线虫发育时机


这一部分就是我们常说的功能了,只是这里的表型是线虫发育。要说A通过B调控C表型,那么挽救实验是必不可少的,这里就包括了:NOS敲除对miRNA let-7调控lin-41,ALG-1的C855S 突变对miRNA let-7(n2853温度敏感型突变)调控lin-41等:

最后就是文章的总结了:


总的来说,这篇文章的思路很清晰:

  1. 大约70%的蛋白会被S-亚硝基化修饰,而NO可由细菌通过NOS和NarG两个酶产生,蛋白的S-亚硝基化修饰与细菌产生的NO有没有关系?

  2. 无菌动物接种NOS和NarG两个酶敲除的枯草芽孢杆菌和大肠杆菌,结果发现整体蛋白的S-亚硝基化水平降低,说明细菌产生的NO促进蛋白的S-亚硝基化修饰。上面问题解决,但是又引出来一个问题:细菌产生的NO促进蛋白的S-亚硝基化修饰对宿主(这里是线虫)的影响和具体方式什么?

  3. 这个问题是文章的重点,又细分了两部分:(1)功能:影响线虫发育;(2)机制:影响AGO2(ALG-1)蛋白与GW182蛋白的结合以及下游miRNA的作用。这两个问题从某种程度上需要一起解决。文章先表述的是(2)机制,过程是:细菌产生的NO影响总蛋白S-亚硝基化修饰——聚焦到AGO2(ALG-1)蛋白(这一步是重点)——影响的具体位点是Cys691——Cys691影响方式的是与GW182蛋白的结合(而非直接与RNA的作用)——结果是miRNA对靶基因的调控(这里以miRNA let7 对lin-41抑制说明)。到这里基本确定关键分子后再统一通过挽救实验等把细菌产生的NO/AGO2(ALG-1)蛋白的S-亚硝基化修饰/作用位点Cys691/let7 抑制lin-41连起来。


最后,这篇文章又是一篇生命科学的研究,在昨天的推文科研进展:miRNA通过AGO2调控circRNA表达中,我们说了一个移植研究的模式:把生命科学等偏基础的研究移植到具体的疾病发生发展方向。那么有没有同学想开一个这样的题:A肠道菌产生NO介导B蛋白的S-亚硝基化修饰激活C信号通路促进D疾病呢?

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