Cell Chem Biol |王初課題組與合作者通過定量化學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué) 揭示CSE蛋白的O-GlcNAc修飾抑制滋養(yǎng)層細胞合體化的機制
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近日，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院、生命科學(xué)聯(lián)合中心王初課題組與中國科學(xué)院動物研究所王雁玲課題組及北京大學(xué)陳興課題組在Cell Chemical Biology雜志上合作發(fā)表了題為“Quantitative Chemoproteomics Reveals O-GlcNAcylation of Cystathionine γ-lyase(CSE) Represses Trophoblast Syncytialization”的研究論文。在這項工作中，三個課題組發(fā)揮各自的研究專長，通力合作，利用體外誘導(dǎo)的滋養(yǎng)層細胞系合體化模型，結(jié)合O-GlcNAc化學(xué)酶法標(biāo)記技術(shù)和定量化學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)，首次實現(xiàn)對人胎盤滋養(yǎng)層細胞中O-GlcNAc動態(tài)修飾的大規(guī)模定量分析，從而進一步揭示了CSE蛋白的O-GlcNAc修飾對滋養(yǎng)層細胞合體化的調(diào)控作用。
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O-GlcNAc修飾是一種在真核細胞中廣泛存在且動態(tài)發(fā)生的翻譯后修飾，目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過2000種O-GlcNAc糖基化修飾蛋白，這些蛋白廣泛參與到多種細胞過程中，如增殖，分化，凋亡等。O-GlcNAc修飾的失衡會導(dǎo)致多種妊娠和胎盤相關(guān)疾病的發(fā)生，例如母體O-GlcNAc修飾水平的紊亂會損害胚胎著床前囊胚的形成；小鼠胎盤中OGT基因的敲除會發(fā)生嚴(yán)重的產(chǎn)前應(yīng)激等。雖然O-GlcNAc修飾對胎盤的發(fā)育及妊娠的維持至關(guān)重要，但目前O-GlcNAc修飾對胎盤發(fā)育調(diào)控的分子機制仍知之甚少，這很大程度上是由于缺乏挖掘胎盤中關(guān)鍵O-GlcNAc底物蛋白的研究方法。
王初課題組和陳興課題組近年來基于O-GlcNAc代謝標(biāo)記技術(shù)和化學(xué)酶法標(biāo)記技術(shù)，合作發(fā)展了一系列定量化學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)方法用于研究O-GlcNAc修飾的動態(tài)變化[1-4]。在本文中，他們與動物所王雁玲課題組合作將基于化學(xué)酶法標(biāo)記的O-GlcNAc定量蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)首次應(yīng)用于鑒定胎盤滋養(yǎng)層細胞合體化過程中的關(guān)鍵的O-GlcNAc修飾調(diào)控蛋白。
作者首先利用體外forskolin（FSK，一種PKA信號激活劑）誘導(dǎo)BeWo細胞（一種人的滋養(yǎng)層細胞系）的合體化模型，結(jié)合基于GalT的O-GlcNAc化學(xué)酶法標(biāo)記和還原二甲基化定量蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)，建立了第一個人胎盤滋養(yǎng)層細胞O-GlcNAc修飾蛋白數(shù)據(jù)庫。在鑒定到的829個高置信度的O-GlcNAc修飾蛋白中，已確定的O-GlcNAc修飾蛋白占55.7%，新發(fā)現(xiàn)的O-GlcNAc修飾蛋白占44.7%。在這些蛋白中，CSE蛋白作為O-GlcNAc修飾水平升高最為顯著的蛋白引起了作者極大的關(guān)注。
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胱硫醚-γ-裂解酶（CSE）是哺乳動物生成H2S的主要催化酶，有研究表明CSE與H2S參與了胎盤功能的調(diào)控及妊娠的維持。所以，接下來作者通過一系列生化實驗進一步證實了PKA信號能夠快速誘導(dǎo)CSE蛋白發(fā)生O-GlcNAc修飾。更為重要的是，利用基于ETD碎裂的質(zhì)譜分析，作者發(fā)現(xiàn)CSE的O-GlcNAc修飾位點是第138位的絲氨酸，而該位點在哺乳動物中相當(dāng)保守。非常有意思的是，隨FSK處理時間的延長，CSE蛋白的O-GlcNAc修飾水平及H2S的產(chǎn)量逐漸升高。
為了探究CSE蛋白的O-GlcNAc修飾對滋養(yǎng)層細胞的合體化存在怎樣的影響，作者通過過表達野生型CSE蛋白或S138A突變體來檢測其對細胞合體化水平的影響，即Syncytin-2與β-hCG的表達水平。作者發(fā)現(xiàn)，過表達野生型蛋白可以顯著抑制滋養(yǎng)層細胞合體化，而轉(zhuǎn)染突變蛋白則促進合體化，并且該條件下催化生成的H2S與上述趨勢相反。這些結(jié)果表明CSE的O-GlcNAc修飾生成的H2S顯著抑制了滋養(yǎng)層細胞的合體化。接下來，作者還證明生成的H2S可以通過阻礙雄激素受體（AR）的二聚化來實現(xiàn)阻礙睪酮所促進的滋養(yǎng)層細胞的合體化。
作者最后在早發(fā)重度子癇前期患者的胎盤（E-PE）中檢測發(fā)現(xiàn)CSE蛋白的O-GlcNAc修飾水平及H2S的產(chǎn)量顯著升高，但滋養(yǎng)層細胞合體化水平顯著降低。這些數(shù)據(jù)表明PE胎盤中異常增高的CSE 蛋白O-GlcNAc修飾可能參與了滋養(yǎng)層細胞的分化障礙。
總之, 本工作結(jié)合O-GlcNAc化學(xué)酶法標(biāo)記和還原二甲基化的定量蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)，首次建立了人胎盤滋養(yǎng)層細胞中O-GlcNAc修飾蛋白數(shù)據(jù)庫，并發(fā)現(xiàn)CSE第138位絲氨酸被O-GlcNAc修飾。該位點的O-GlcNAc修飾可以顯著升高 H2S的產(chǎn)量，生成的H2S又可以通過抑制雄激素受體（AR）的二聚化進而阻礙睪酮促進滋養(yǎng)層細胞的合體化。CSE 通過O-GlcNAc修飾控制了適度的滋養(yǎng)層細胞合體化，實現(xiàn)了胎盤滋養(yǎng)層細胞精細調(diào)控的目的。該研究可能會為未來胎盤相關(guān)的妊娠并發(fā)癥的治療策略的發(fā)展提供新線索。
中國科學(xué)院動物研究所王雁玲研究員、北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院、生命科學(xué)聯(lián)合中心的王初教授和陳興教授為本論文的共同通訊作者。中國科學(xué)院大學(xué)2017級博士生劉娟、中國科學(xué)院動物研究所邵璇助理研究員、生命科學(xué)聯(lián)合中心2014級博士畢業(yè)生秦為和2016級博士研究生張艷玲為本文的共同第一作者。該工作受到科技部重點研發(fā)計劃蛋白質(zhì)專項、基金委創(chuàng)新群體、重大項目和重大研究計劃培育項目、生命科學(xué)聯(lián)合中心等項目經(jīng)費的支持。
本文作者：LJ
本文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.chembiol.2021.01.024
文章DOI：10.1016/j.chembiol.2021.01.24
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參考文獻：
[1] Qin W, et. al., Quantitative time-resolvedchemoproteomics reveals that stable O-GlcNAc regulates box C/D snoRNPbiogenesis. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2017, 114(33).
[2] Qin W, et. al., Artificial CysteineS-Glycosylation Induced by Per-O-Acetylated Unnatural Monosaccharides during Metabolic Glycan Labeling. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2018,57(7).
[3] Qin K, et. al., Quantitative Profiling ofProtein O-GlcNAcylation Sites by an Isotope-Tagged Cleavable Linker. ACS.Chem. Biol. 2018, 13(8).
[4] Qin W, et. al., Chemoproteomic Profiling ofO-GlcNAcylation in Caenorhabditis elegans. Biochemistry. 2020, 59(34).
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