N末端乙酰化(N-terminal acetylation)是真核生物中分布最广泛的蛋白修饰类型之一，人类和植物中80%以上的蛋白都存在N末端乙酰化修饰，但目前对其生物学意义却知之甚少。因此，研究N末端乙酰化修饰的调控机制及其对底物蛋白命运的影响，对于深刻理解真核生物生长发育调控和应对外界刺激响应的机制具有重要意义。N末端乙酰化由进化上高度保守的N末端乙酰基转移酶(N-terminal acetyltransferases, Nats)催化，不同的Nats可以特异识别蛋白N末端前2-5位氨基酸序列并主要以共翻译方式进行修饰。目前在真核生物中已经发现了8种Nats (NatA-H)，其中 NatA附着在核糖体上，负责对人和植物蛋白组中约40%的蛋白进行N末端乙酰化修饰。高等真核生物中NatA的完全缺失是致死的，人类细胞中NatA的功能异常会导致多种神经疾病和癌症的发生，说明NatA介导的蛋白N末端乙酰化修饰对于维持真核生物的正常生长发育是至关重要的，也因此成为近期真核蛋白修饰研究领域的新热点。近期的研究发现Huntingtin Yeast Partner K (HYPK)可以与NatA互作并被认为是NatA活性的潜在调控因子，然而由于在人和真菌的研究中均缺少确凿的遗传学证据，关于HYPK如何调控NatA的活性尚存在争议。因此,阐明真核生物中HYPK在体内调控NatA 活性及其底物的分子机制对于正确理解蛋白N末端乙酰化修饰对于真核生物生长发育的作用十分关键。

图1 : OsHYPK介导的N末端乙酰化修饰协调水稻生长发育和非生物胁迫响应的工作模型

近日，山东农业大学王永红教授团队与中国科学院遗传与发育生物学研究所汪迎春研究员、德国海德堡大学Markus Wirtz博士合作，揭示了水稻中OsHYPK介导的N末端乙酰化协调水稻生长发育和非生物胁迫响应的新机制。该研究通过系统筛选水稻株型突变体，鉴定到水稻中的HYPK基因。水稻OsHYPK基因突变导致株高变矮、分蘖减少、穗子变小等生长发育缺陷。进一步研究发现，OsHYPK与水稻中的NatA互作，酶活实验和N末端乙酰化组学数据证明OsHYPK是NatA的正调控因子。研究还表明，oshypk突变体中N末端乙酰化修饰水平降低，进而导致蛋白翻译加速并同时激活了蛋白酶体介导的蛋白降解，说明OsHYPK介导的N末端乙酰化修饰参与调控蛋白周转(protein turnover)。更为重要的是，OsHYPK本身也是NatA的底物，OsHYPK被修饰之后可以通过Ac/N-degron介导的泛素-蛋白酶体系统降解。遗传学证据表明， OsHYPK蛋白N末端乙酰化修饰位点发生突变后不能完全互补oshypk突变体表型，说明OsHYPK的N末端乙酰化修饰对其生物学功能的发挥是十分必要的。那么既然NatA对水稻的生长发育至关重要，为何其调控蛋白OsHYPK会被修饰而降解呢？作者发现干旱和盐胁迫均能诱导OsHYPK的降解，从而降低NatA的活性并提高植株的存活率，oshypk突变体表现出对非生物胁迫的明显抗性。此外，RNA-seq数据也显示，oshypk突变体中胁迫信号被激活，而生长发育相关通路被抑制。上述结果表明，OsHYPK通过动态调控NatA的酶活及其底物的蛋白周转，从而实现对水稻生长发育和胁迫响应的精准调控(图1)。

该研究以水稻为模式生物，首次揭示了真核生物中HYPK在蛋白组水平上对N末端乙酰化修饰的调控作用，深入解析了N末端乙酰化平衡水稻生长发育和胁迫响应的分子机制，为研究植物可塑性发育和作物高产抗逆育种提供了新的思路。相关研究结果于2022年4月4日在线发表在Molecular Plant (https://doi.org/10.1016/j.molp.2022.03.001)。中科院遗传发育所已毕业的巩孝帝博士和在读博士生黄雅倩为该论文的共同第一作者，王永红教授为该论文的通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、中国科学院战略性科技先导专项（B类）、山东省顶尖人才“一事一议” 项目的资助。