S-亚硝基化（S-nitrosylation）是一种基于氧化还原的蛋白质翻译后修饰，可调节多种生理和病理过程。类似于其他翻译后修饰，S-亚硝基化可通过改变蛋白构象，稳定性，亚细胞定位，生物化学活性和蛋白质-蛋白质相互作用的来调节蛋白的功能。一氧化氮（NO）是涉及动植物的各种发育过程和应激反应的关键信号分子，NO的主要生物活性通过S-亚硝基化反应将NO基团共价加到蛋白质的活性半胱氨酸巯基上形成S-亚硝基硫醇来实现。

在高等植物对生物胁迫和非生物胁迫响应中，活性氧（ROS）和NO的爆发及其相互调节对于早期信号传导至关重要，其中S-亚硝基化已经显示出调节参与ROS稳态的关键酶的活性。S-亚硝基化和脱亚基化的动态过程主要由细胞内S-亚硝基谷胱甘肽（GSNO）的水平调节，GSNO可以被高度保守的GSNO还原酶（GSNOR）不可逆转地降解。

2019年7月，山东农业大学史庆华教授课题组在国际权威期刊Plant and Cell Physiology发表了题为：Unravelling GSNOR-mediated S-nitrosylation and multiple developmental programmes in tomato plants的最新研究成果。

图1. GRNOR介导的番茄植株发育

作者运用蛋白质组学、S-亚硝基化修饰组学技术结合相应的生理生化实验方法，获得GSNOR介导的表型和S-亚硝基化蛋白互作网络，结果发现：发现抑制表达GSNOR提高了内源NO和S-亚硝基化水平，导致发芽率提高，抑制根和下胚轴生长，减少根毛数量，破坏顶端优势，促进侧枝生长，降低光合作用，花粉粒发育不良，果实结实率和产量低。揭示GSNOR介导的S-亚硝基化在影响植物生长发育中起着关键作用。GSNOR积极参与调控与重要农艺性状相关的多种发育过程。

图2. S-亚硝基化技术流程与蛋白序列Motif分析

本研究共鉴定出554个S-亚硝基化位点包含在395个蛋白里，有49和6个位点分别发生了上下调变化，为了了解番茄植株中已鉴定的S-亚硝基化蛋白位点的特性，研究者使用Motif-X比较了所有鉴定的554个S-亚硝基化Cys位点周围氨基酸残基的位置特异性频率并进行序列分析，发现CK和CXXXXXXA序列(其中C代表Cys, X代表任何氨基酸残基，K代表Lys, A代表Ala)是共识多肽序列，分别匹配本研究中超过67个和56个S-亚硝基化蛋白位点。

图3. 发生S-亚硝基化的蛋白PPI网络互作分析

一些研究结果表明GSNOR具有较强的S-亚硝基化调控蛋白-蛋白相互作用的能力，我们利用已鉴定的S-亚硝基化蛋白作为关键核心蛋白构建了12组蛋白-蛋白相互作用网络(PPIN)，值得注意的是，前四组PPIN通过蛋白功能注释，发现29个蛋白在核糖体蛋白通路，4蛋白在RNA运输途径，同样，其他互作组分别与能量代谢、蛋白质降解和氨基酸代谢密切相关，表明S-nitrosylated蛋白质与其他蛋白质相互作用参与多个代谢过程并在GSNOR介导的多种发育过程中发挥关键作用。

同期，该课题组在国际专业期刊Plant Physiology and Biochemistry发表了题为Identifying S-nitrosylated proteins and unraveling S-nitrosoglutathione reductase-modulated sodic alkaline stress tolerance in Solanum lycopersicum L. 的另一篇科研成果：利用S-亚硝基化组学等技术详细阐述了S-亚硝基谷胱甘肽还原酶在调控番茄抗盐碱胁迫的分子机制。

该研究采用位点特异性亚硝基蛋白组学等方法，在对照(C)和盐碱胁迫(S)条件下，构建出番茄中第一个S-亚硝基化蛋白表达图谱，并发现这些S-亚硝基化蛋白参与多种代谢、细胞和催化过程，涉及蛋白质体内平衡控制、Ca2+的信号,乙烯和MAPK,活性氧(ROS)清除、渗透调节、以及能源供给通路以应对GSNOR介导的S-亚硝基化在番茄抗盐碱胁迫。本研究为番茄植株S-亚硝基化调控代谢研究提供了宝贵的资源和新的线索。

 

 图4.差异修饰蛋白韦恩图和功能富集聚类热图

作者对差异修饰蛋白进行了维恩图分析；明确番茄植株在盐碱胁迫条件下S-亚硝基化水平变化以及GSNOR如何影响对其盐碱性的承受力。在对照和胁迫条件下(GC/WT-C和G-S/WT-S) GSNOR共调控59个蛋白(35.0%)，即为GSNOR调节的重要发生S-亚硝基化的蛋白。KEGG功能富集聚类分析上下调的蛋白。在胁迫反应，WT-S/WT-C或G-S/G-C中发现了4条的代谢通路倍显著富集，包括氨基糖和核苷酸糖代谢、MAPK信号通路、硫代谢和丙酮酸代谢，G-C/WT-C或G-S/WT-S中发现缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸降解、糖酵解/糖异生、脂肪酸降解通路被显著富集。

 

图5. GSNOR介导的S-亚硝基化对番茄植株抗盐碱性胁迫耐受的影响模型

作者最后对分析的数据结合相关文献报道，构建了GSNOR介导的S-亚硝基化对番茄植株抗盐碱性胁迫耐受的影响模型图，可作为番茄S-nitrosylation功能分析的重要资源，有助于阐明NO信号调控的碱性盐胁迫耐受。需要指出的是，本研究中S-亚硝基化修饰组学揭示的一些变化的具体分子机制还需要进一步深入研究。

据悉，山东农业大学园艺科学与工程学院巩彪副教授为两篇文章的第一作者，史庆华教授为通讯作者，景杰生物为该研究提供蛋白质组学和S-亚硝基化修饰组学定量技术支持。

参考文献：

1. Biao Gong, et al., 2019, Unravelling GSNOR-mediated S-nitrosylation and multiple developmental programmes in tomato plants[J]. Plant and Cell Physiology.

2. Biao Gong, et al., 2019, Identifying S-nitrosylated proteins and unraveling S-nitrosoglutathione reductase-modulated sodic alkaline stress tolerance in Solanum lycopersicum L.[J]. Plant Physiology and Biochemistry.

3.  Yang H, et al. 2015, S-nitrosylation positively regulates ascorbate peroxidase activity during plant stress responses[J]. Plant Physiology.

领域：蛋白/抗体/蛋白质组