I siti di legame del coenzima A inducono l’acilazione prossimale tra le famiglie di proteine

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5029 (2023) Citare questo articolo

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Le Nɛ-acilazioni della lisina, come l'acetilazione o la succinilazione, sono modifiche post-traduzionali che regolano la funzione proteica. Nei mitocondri, l'acilazione della lisina è prevalentemente non enzimatica e solo un sottoinsieme specifico del proteoma è acilato. Il coenzima A (CoA) può agire come trasportatore del gruppo acilico tramite un legame tioestere, ma ciò che controlla l’acilazione delle lisine mitocondriali rimane poco compreso. Utilizzando i set di dati pubblicati, qui abbiamo scoperto che le proteine ​​con un sito di legame per il CoA hanno maggiori probabilità di essere acetilate, succinilate e glutarilate. Utilizzando la modellazione computazionale, mostriamo che i residui di lisina vicino alla tasca di legame del CoA sono altamente acilati rispetto a quelli più lontani. Abbiamo ipotizzato che il legame dell'acil-CoA migliori l'acilazione dei residui di lisina vicini. Per testare questa ipotesi, abbiamo co-incubato l'enoil-CoA idratasi a catena corta 1 (ECHS1), una proteina mitocondriale legante il CoA, con succinil-CoA e CoA. Utilizzando la spettrometria di massa, abbiamo scoperto che il succinil-CoA induceva una diffusa succinilazione della lisina e che il CoA inibiva competitivamente la succinilazione di ECHS1. L’inibizione indotta dal CoA in un particolare sito di lisina era correlata inversamente alla distanza tra quella lisina e la tasca di legame del CoA. Il nostro studio ha indicato che il CoA agisce come un inibitore competitivo della succinilazione di ECHS1 legandosi alla tasca di legame del CoA. Insieme, ciò suggerisce che l'acilazione prossimale nei siti di legame del CoA è un meccanismo primario per l'acilazione della lisina nei mitocondri.

Le acilazioni della lisina, come l'acetilazione, la succinilazione o la glutarilazione, sono modifiche post-traduzionali (PTM)1,2,3 che inibiscono le azioni delle proteine ​​in tutti i regni della vita e in tutti i compartimenti cellulari4,5,6. Nelle cellule eucariotiche, l'acilazione degli istoni diminuisce l'affinità elettrostatica tra istoni e DNA ed è generalmente associata ad un aumento dell'espressione genica7. Il coenzima A (CoA) è un metabolita necessario in una vasta gamma di processi metabolici, tra cui la biosintesi degli acidi grassi e dei corpi chetonici, il metabolismo degli aminoacidi, l'ossidazione degli acidi grassi e la regolazione dell'espressione genica8,9. Negli eucarioti, i tioesteri del CoA, come acetil-CoA, succinil-CoA e glutaril-CoA, agiscono come gli unici donatori cellulari di gruppi acilici e reagiscono con i residui di lisina tramite entrambi (1) trasferimento enzimatico mediato dagli enzimi acetiltransferasi, come p30010, 11, e (2) meccanismi non enzimatici facilitati da elevate concentrazioni locali di specie acil-CoA e pH elevato5,12. Nel citosol e nel nucleo, l'acilazione della lisina è guidata principalmente dagli enzimi aciltransferasi, come p300, e modelli di acilazione differenziale sono stati attribuiti alla specificità e alla distribuzione di questi enzimi. Nella matrice mitocondriale, tuttavia, non è stato identificato alcun enzima universale aciltransferasi e si ritiene che l'acilazione mitocondriale sia per lo più non enzimatica13,14. Tuttavia, la distribuzione delle lisine acilate nei mitocondri non è stocastica, con differenze di ordini di grandezza nell'acilazione riscontrate tra i siti14. Perché alcuni residui mitocondriali di lisina siano più suscettibili alle acilazioni rispetto ad altri rimane un'importante domanda senza risposta.

Il metabolismo mitocondriale dipende da molteplici specie acil-CoA che fungono da intermedi chiave in percorsi critici, come il ciclo TCA (acetil-CoA, succinil-CoA), l'ossidazione degli acidi grassi (acetil-CoA, propanoil-CoA, acil-CoA a catena più lunga) CoAs), catabolismo dei corpi chetonici (3-idrossimetilglutaril-CoA, acetoacetil-CoA) e catabolismo degli aminoacidi (succinil-CoA, glutaril-CoA, HMG-CoA). Queste specie reattive di acil-CoA fungono da donatori di acil per le acilazioni non enzimatiche delle proteine ​​mitocondriali15. Sono stati identificati ruoli regolatori per un sottoinsieme limitato di acilazioni della lisina, che coesistono con la maggior parte delle acilazioni della lisina che sono non normative e a bassa stechiometria13,14. È importante sottolineare che molti residui di lisina proteica mitocondriale non sono acilati e le misurazioni successive della stechiometria dell'acetilazione nel fegato di topo mostrano un intervallo estremamente ampio di acetilazione14. L'obiettivo del presente studio è indagare i meccanismi molecolari che controllano l'acilazione di specifici residui di lisina nei mitocondri.