乙酰化修饰组学揭示多囊卵巢综合症代谢特征

来源：精准医学与蛋白组学

多囊卵巢综合征（PCOS）是一种复杂且具有异质性的内分泌失调相关疾病，它在育龄女性中占比约5％~10％并且是无排卵性不孕的主要原因。除了生殖异常外，患有这种综合征的女性经常伴有肥胖、胰岛素抵抗、血脂异常等代谢综合征，并且被认为是PCOS患者糖尿病和心血管疾病的危险因素。这些系统性代谢异常会影响卵巢微环境的动态平衡，进而干扰卵泡发育和卵母细胞成熟。因此，进一步了解PCOS和非PCOS女性之间卵巢微环境的代谢差异，并阐明其潜在调控机制对于临床上PCOS的治疗具有重要意义。

之前已有文章报道了针对PCOS患者颗粒细胞中差异表达基因和非编码RNA等研究。除转录调控外，翻译后修饰（PTM）也是调节蛋白质特性和增加蛋白质功能多样性的关键机制。但是，目前关于PTM对卵巢代谢紊乱以及对PCOS中卵母细胞成熟的影响尚不清楚。

2020年09月11日，来自北京大学第三医院乔杰院士课题组于洋、赵越研究团队，与广州医科大学附属第三医院范勇研究团队在 Frontiers in Cell and Developmental Biology (IF=5.186) 上发表了题为“Protein Lysine Acetylation in Ovarian Granulosa Cells Affects Metabolic Homeostasis and Clinical Presentations of Women With Polycystic Ovary Syndrome”的研究论文，通过乙酰化修饰组学揭示了PCOS患者颗粒细胞中赖氨酸乙酰化修饰蛋白参与到多种代谢途径中包括糖酵解、脂肪酸降解、TCA循环、色氨酸代谢和支链氨基酸降解等。PCOS颗粒细胞中一些关键代谢酶乙酰化修饰水平的改变能减弱其活性并影响卵母细胞成熟的卵泡微环境的代谢稳态。本篇研究不仅提出了PCOS卵巢代谢紊乱新的调控机制，也为未来临床上PCOS治疗提供新思路。其中乙酰化修饰组学以及相关抗体由景杰生物提供技术支持和产品服务。

1.  卵巢颗粒细胞蛋白的赖氨酸乙酰化修饰研究

首先研究者收集了47名PCOS患者和55名非PCOS对照的卵巢颗粒细胞（样本策略）并展开定量乙酰化修饰组学研究（质谱策略），结果显示两组之间有1,398个乙酰化位点和804个乙酰化蛋白重叠。和对照组相比，PCOS组共鉴定到333个蛋白上410个差异乙酰化修饰位点，其中265个蛋白上的334个位点乙酰化修饰水平发生上调，68个蛋白上的76个位点乙酰化修饰水平发生下调。同时，乙酰化修饰泛抗体WB实验表明 PCOS组和对照组样本都存在广泛的蛋白质赖氨酸乙酰化修饰。

图1  卵巢颗粒细胞蛋白的赖氨酸乙酰化修饰研究

2.  差异蛋白的功能注释和富集分析

GO和KEGG富集分析显示，PCOS组乙酰化差异蛋白在碳代谢，色氨酸代谢，糖酵解/糖异生和脂肪酸降解等代谢途径，以及调控葡萄糖和脂质代谢的分子信号通路包括HIF-1和PPAR中显著富集。为了进一步确认蛋白质功能与乙酰化修饰水平改变的相关性，研究者根据差异表达倍数将差异修饰的蛋白质分为四个组：Q1 (0 < ratio _ 1/2)，Q2 (1/2 < ratio _ 1/1.5)，Q3 (1.5 < ratio _ 2) 和 Q4 (ratio > 2)。富集聚类分析表明差异乙酰化蛋白在Q1组主要富集支链氨基酸降解和脂肪酸降解/代谢信号，Q2组主要富集糖酵解/糖异生信号，Q3组主要富集TCA循环和碳代谢信号，Q4组主要富集肌醇磷酸代谢信号。

图2  差异蛋白的功能注释和富集分析

3.  PCOS颗粒细胞中蛋白赖氨酸乙酰化调节代谢途径

鉴于一些代谢途径表现出乙酰化变化，研究者将关注点放在参与糖酵解、脂肪酸降解、TCA循环和氨基酸代谢途径中的酶类，去探究关键酶的赖氨酸乙酰化修饰是否影响颗粒细胞的代谢稳态。研究结果显示，在糖酵解途径中，参与将葡萄糖6-磷酸转化为丙酮酸反应的五种酶被乙酰化，包括GAPDH、PGK1、PGAM1、TPI1和ENO1；两种催化脂肪酸降解并产生酰基辅酶A的酶，ACSL4 和ACOX1乙酰化水平下调。此外，在PCOS组中参与到TCA循环和氨基酸代谢的几个关键酶也发生明显改变，包括乙酰辅酶A乙酰转移酶1（ACAT1）。免疫共沉淀和WB实验进一步证实了PCOS卵巢颗粒细胞中，ACAT1，GAPDH，PGK1和PGAM1这四种酶的蛋白乙酰化水平发生显著改变。

图3  PCOS颗粒细胞中蛋白赖氨酸乙酰化调节代谢途径

4.  PCOS颗粒细胞中ACAT1乙酰化水平与临床结果密切相关

颗粒细胞的代谢紊乱会干扰卵泡微环境中的代谢稳态，从而影响卵母细胞的成熟和发展潜力。由于ACAT1是代谢途径的核心酶，研究者进一步分析了ACAT1乙酰化修饰变化以及对卵母细胞成熟和胚胎发育过程的影响。研究者共收集了25名PCOS患者的颗粒细胞样本，并检测了ACAT1乙酰化水平。与临床相关性分析结果显示，PCOS颗粒细胞中ACAT1乙酰化水平与2PN受精率和可移植胚胎率呈负相关，表明颗粒细胞中ACAT1乙酰化修饰增加影响了卵巢代谢微环境并抑制卵母细胞质量和胚胎发育效率。

图4  PCOS颗粒细胞中ACAT1乙酰化水平与临床结果密切相关

小 结

多囊卵巢综合征（PCOS）是最常见的生殖内分泌疾病之一，伴有明显的代谢异常。但是，目前关于卵巢代谢紊乱的机制以及对PCOS中卵母细胞成熟的影响尚不清楚。本篇研究通过质谱对PCOS和对照组卵巢颗粒细胞中的乙酰化蛋白质组学进行了定量分析，揭示了PCOS患者颗粒细胞中赖氨酸乙酰化修饰广泛参与到多种代谢途径中。其中PCOS组差异的乙酰化蛋白在糖酵解、脂肪酸降解、TCA循环、色氨酸代谢和支链氨基酸降解的代谢途径中显着富集。乙酰辅酶A乙酰转移酶1（ACAT1）是这些代谢途径的关键酶，在PCOS组中具有更高的乙酰化水平，并且在临床中PCOS颗粒细胞中ACAT1乙酰化水平与卵母细胞质量和胚胎发育效率呈负相关。本篇研究不仅揭示了翻译后修饰对PCOS患者卵巢代谢稳态和卵母细胞发育潜能的影响，也为未来临床上PCOS治疗提供新思路。

本研究中乙酰化修饰组学由景杰生物提供技术支持。

乙酰化修饰（Acetylation）是最常见的酰化修饰类型，参与了所有主要的生物学过程，如基因转录、细胞周期、DNA损伤修复、细胞信号转导等，并且可通过多种机制影响蛋白质功能，涉及癌症、神经性疾病、代谢疾病等多种人类疾病。

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