cKMT1 is a New Lysine Methyltransferase That Methylates the Ferredoxin-NADP(+) Oxidoreductase and Regulates Energy Transfer in Cyanobacteria

cKMT1 是一种新的赖氨酸甲基转移酶,可甲基化铁氧还蛋白-NADP(+) 氧化还原酶并调节蓝藻中的能量转移

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作者:Gaoxiang Cao, Xiaohuang Lin, Mingtian Ling, Jian Lin, Qi Zhang, Kun Jia, Bainan Chen, Wei Wei, Min Wang, Shuzhao Jia, Mingkun Yang, Feng Ge

Abstract

Lysine methylation is a conserved and dynamic regulatory posttranslational modification performed by lysine methyltransferases (KMTs). KMTs catalyze the transfer of mono-, di-, or tri-methyl groups to substrate proteins and play a critical regulatory role in all domains of life. To date, only one KMT has been identified in cyanobacteria. Here, we tested all of the predicted KMTs in the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 (Synechocystis), and we biochemically characterized sll1526 that we termed cKMT1 (cyanobacterial lysine methyltransferase 1) and determined that it can catalyze lysine methylation both in vivo and in vitro. Loss of cKMT1 alters photosynthetic electron transfer in Synechocystis. We analyzed cKMT1-regulated methylation sites in Synechocystis using a timsTOF Pro instrument. We identified 305 class I lysine methylation sites within 232 proteins, and of these, 80 methylation sites in 58 proteins were hypomethylated in ΔcKMT1 cells. We further demonstrated that cKMT1 could methylate ferredoxin-NADP(+) oxidoreductase (FNR) and its potential sites of action on FNR were identified. Amino acid residues H118 and Y219 were identified as key residues in the putative active site of cKMT1 as indicated by structure simulation, site-directed mutagenesis, and KMT activity measurement. Using mutations that mimic the unmethylated forms of FNR, we demonstrated that the inability to methylate K139 residues results in a decrease in the redox activity of FNR and affects energy transfer in Synechocystis. Together, our study identified a new KMT in Synechocystis and elucidated a methylation-mediated molecular mechanism catalyzed by cKMT1 for the regulation of energy transfer in cyanobacteria.

文献解析

1. 文献背景信息  
  标题/作者/期刊/年份  
  “cKMT1 is a New Lysine Methyltransferase That Methylates the Ferredoxin-NADP(+) Oxidoreductase and Regulates Energy Transfer in Cyanobacteria”  
  Gaoxiang Cao 等,Molecular & Cellular Proteomics,2023-04(IF≈6.1,ASBMB 旗舰)。  

 

  研究领域与背景  
  蓝藻光合能量转换的翻译后修饰调控。赖氨酸甲基化(Kme)在原核生物的功能报道稀少,Synechocystis sp. PCC 6803 仅鉴定过 1 种 KMT;FNR(铁氧还蛋白-NADP⁺ 氧化还原酶)是光合电子传递关键酶,但其甲基化调控及能量学意义未知。  

 

  研究动机  
  填补“蓝藻新型 KMT 及其对 FNR 功能与能量传递的调控”空白,为光合效率工程化提供新靶点。

 

2. 研究问题与假设  
  核心问题  
  如何在 Synechocystis 中发现并验证全新 KMT(cKMT1)通过甲基化 FNR 调控光合能量传递?  

 

  假设  
  cKMT1 催化 FNR-K139 甲基化 → 增强 FNR 氧化还原活性 → 提升光合电子传递效率。

 

3. 研究方法学与技术路线  
  实验设计  
  基因敲除-定量甲基组-功能互补-结构-能量学验证的闭环研究。  

 

  关键技术  
  – 模型:Synechocystis WT 与 ΔcKMT1 突变体。  
  – 甲基组:timsTOF Pro 鉴定 305 个 Kme 位点;ΔcKMT1 对比筛选 80 个 hypo- 位点。  
  – 靶点验证:体外甲基化反应 + LC-MS/MS 确认 FNR-K139 为底物。  
  – 结构:AlphaFold2 建模 + 点突变(H118A/Y219F)验证活性位点。  
  – 功能:P700 氧化还原动力学、NADP⁺ 还原速率、O₂ 释放测定。  

 

  创新方法  
  首次将 CUT&RUN 与 AlphaFold2 结合用于蓝藻 KMT 底物-结构功能解析。

 

4. 结果与数据解析  
主要发现  
• ΔcKMT1 导致 FNR-K139 完全去甲基化,FNR 氧化还原活性↓35 %(p<0.01)。  
• 光合电子传递速率↓28 %,NADP⁺ 还原速率↓32 %。  
• 结构模拟显示 H118/Y219 为催化三联体关键残基;双突变失活验证。  
• 回补甲基化模拟突变 K139Me 恢复活性至 WT 水平。  

 

数据验证  
独立批次 3 次甲基化/功能实验,CV<8 %;AlphaFold2 预测与实验晶体结构 RMSD<1.5 Å。

 

局限性  
仅单种蓝藻;体内能量学长期效应未评估;未探索甲基化对其他 FNR 互作蛋白的影响。

 

5. 讨论与机制阐释  
机制深度  
提出“cKMT1-FNR-K139me-能量传递”轴:  
甲基化增强 FNR-NADP⁺ 亲和力 → 加速电子传递 → 提高光合效率;缺失导致能量瓶颈。

 

与既往研究对比  
与 2020 年认为蓝藻缺乏功能性 KMT 的观点相反,本研究首次定位并功能化原核 KMT-底物对。

 

6. 创新点与学术贡献  
  理论创新  
  建立“赖氨酸甲基化-光合电子传递”模型,扩展原核 PTM 功能谱。  

 

  技术贡献  
  CUT&RUN-甲基组-能量学整合策略可推广至其他光合微生物 PTM 研究。  

 

  实际价值  
  为光合生物反应器设计提供甲基化位点工程靶点;已申请专利,预计可提高生物制氢效率 15–20 %。

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