赖氨酸巴豆酰化修饰与疾病的研究进展

肖星星 曾 智 王 莉 卢燕玲 周传传 曾海涛 孙晓红

1 南华大学附属南华医院，湖南省衡阳市 421002； 2 中山大学附属第六医院； 3 深圳市龙岗区妇幼保健院

基金资助：国家重点研发计划(2017YFC1001600)；广东省科技计划项目(2014A020213002)；广东省自然科学基金自由申请项目(2015A030313131)

蛋白质翻译后修饰对其生物功能具有极为重要的影响，包括基因的表达调控、细胞生长、胚胎发育、物质代谢等生命过程。其中蛋白质赖氨酸酰化修饰是当下研究热点，包括乙酰化修饰、巴豆酰化修饰等，这些蛋白质翻译后修饰在生物体内都各自具有重要的生物学功能[1]。近年来，巴豆酰化修饰在发育、疾病等方面的研究取得突破性进展而受到广泛关注。巴豆酰化修饰位点与乙酰化部分重叠、空间结构及催化酶相似，但有研究报道巴豆酰化修饰在生物学功能上有别于乙酰化修饰，提示巴豆酰化修饰对疾病可能发挥特异性调控作用[2]。本文就巴豆酰化修饰与疾病关系的最新进展进行综述。

1 巴豆酰化修饰的鉴定

巴豆酰化修饰是一种新型赖氨酸酰化修饰，以巴豆酰辅酶A为底物，由巴豆酰转移酶催化巴豆酰基团转移到赖氨酸残基上，在调控酶的作用下发生动态变化。巴豆酰化修饰包括组蛋白和非组蛋白的修饰。这种新型修饰相关蛋白蕴含着重要的生物学信息，它们的鉴定是理解其功能和解析表观遗传机制的关键。

1.1 组蛋白巴豆酰化修饰的鉴定 2011年，赵英明团队[2]首次鉴定了组蛋白赖氨酸巴豆酰化修饰。该团队设计了新的组蛋白修饰检测手段结合高效PTMap算法分析质谱数据得到67个全新的组蛋白修饰位点，将其中28个无法与已知修饰进行匹配的核心组蛋白赖氨酸位点进行高分辨率质谱检测发现，这些位点的修饰与巴豆酰化修饰类似，随后通过巴豆酰化特异性识别抗体、同位素标记追踪验证确定了巴豆酰化修饰的存在。巴豆酰化是有别于乙酰化的新型翻译后修饰，在精子发生过程中组蛋白巴豆酰化修饰富集于睾丸特异性基因转录起始位点，表明组蛋白巴豆酰化可以作为性染色体相关基因转录活跃的标志。

1.2 非组蛋白巴豆酰化的鉴定 非组蛋白的巴豆酰化于2017年由华东师范大学廖鲁剑教授团队[3]首次发现：在人宫颈癌HeLa细胞系的453个蛋白质中确认非组蛋白巴豆酰化修饰的存在，并检测出558个特异性巴豆酰化修饰位点，并证实多种蛋白质功能和细胞过程受到巴豆酰化修饰的调控。非组蛋白巴豆化修饰的鉴定，丰富了我们对巴豆酰化修饰的认识，从而为我们更好地研究其生物学功能奠定了研究基础。

2 组蛋白巴豆酰化修饰与疾病的关系

巴豆酰化修饰虽然在结构、调控酶系及识别蛋白上与乙酰化修饰有相似之处，但巴豆酰化基团与乙酰化基团之间的差异提示巴豆酰化修饰对疾病可能发挥特异性调控作用。目前，已知巴豆酰化修饰参与精子形成、胚胎干细胞干性维持、急性肾损伤、HIV潜伏期、前列腺癌、肠癌等疾病的发生发展[1]。

2.1 巴豆酰化修饰与精子形成 组蛋白巴豆酰化修饰最早发现于精细胞分化发育的减数分裂后阶段，且在维持圆形精子时期性染色体基因的活性方面发挥了重要作用[2]。最近有研究通过体外实验证明人类Y染色体上的一个转录共抑制因子CDYL(Chromodomain Y-like protein)具有直接的巴豆酰辅酶A水合酶活性，催化巴豆酰辅酶A转化成β-羟丁酰辅酶A，从而降低组蛋白巴豆酰化修饰水平，表明CDYL能够负性调控组蛋白巴豆酰化修饰的变化，但并不能直接去除巴豆酰化修饰。通过一系列的基因敲低以及基因敲除实验证实在小鼠睾丸中CDYL和组蛋白巴豆酰化呈现负调控关系；而过表达CDYL的小鼠其组蛋白的巴豆酰化水平出现下降，并且导致其精子数量的减少和精子活力的降低，以上研究均表明组蛋白巴豆酰化水平影响着精子的生成与发育[4]。

2.2 巴豆酰化与胚胎干细胞干性维持 胚胎干细胞具有分化为各胚层细胞的潜能，在体外培养条件下有无限增殖、自我更新以及多向分化的特性，特异性转录因子对干性基因的调节可影响其自我分化和干性的维持。早期有研究以小鼠神经干细胞E14为材料予以诱导型敲除去乙酰化修饰酶(同样具有去巴豆酰化修饰酶的作用)HDAC1，敲除后的胚胎干细胞克隆团形态变小，并发生分化[5]。近期有研究构建野生型去巴豆酰化修饰酶HDAC1和突变型HDAC1(HDAC1-VRPP)小鼠胚胎干细胞CGR8，研究结果显示去巴豆酰化修饰使干性基因的蛋白表达水平明显下降，与分化相关的各胚层基因mRNA水平明显升高，且克隆团形态更小，促使胚胎干细胞发生分化，表明组蛋白巴豆酰化修饰对胚胎干细胞干性的维持是必需的[6]。以上研究表明酰化修饰过高或过低都可能会导致细胞分化，细胞内酰化修饰的稳定对胚胎干细胞干性的维持至关重要。对胚胎干细胞干性的深入研究，将为遗传缺陷、药物开发、再生医学等提供重要的研究模型。

2.3 巴豆酰化修饰与急性肾损伤 急性肾损伤(Acute kidney injury，AKI)具有发病率高、早期诊断困难、预后差及病死率高的特点。Ruiz-Andres等[7]利用叶酸或顺氯氨铂诱导小鼠发生AKI，检测AKI小鼠肾脏较对照组蛋白巴豆酰化水平更高，随后对AKI小鼠腹腔注射巴豆酸后发现上调巴豆酰化修饰、上调肾脏保护因子PGC-1α和去巴豆酰化修饰酶SIRT3的mRNA及蛋白水平、降低编码促肾损伤趋化因子CCL2 的mRNA水平，说明巴豆酰化修饰可能通过上调PGC-1α、SIRT3水平及下调CCL2发挥肾脏保护作用。更进一步的体外实验发现，体外培养肾小管细胞经巴豆酸处理可阻断肿瘤坏死因子样弱凋亡诱导因子(Tumor necrosis factor-like weak inducer of apoptosis，TWEAK)下调SIRT3，TWEAK是肿瘤坏死因子配体超家族的一员，具有促炎、促AKI等重要作用，说明巴豆酰化修饰可通过阻断TWEAK上调SIRT3发挥肾脏保护作用[7]。

2.4 巴豆酰化修饰与HIV潜伏期 人类获得性免疫缺陷病毒 (HIV) 感染潜伏期患者体内的稳定病毒库是根除艾滋病毒的主要障碍，而HIV病毒基因上作为启动子的长末端重复序列(Long terminal repeat，LTR)邻近区域组蛋白N端的表观遗传调控是建立HIV病毒库的关键[8]。因此，寻找激活潜伏期HIV病毒库的组蛋白末端修饰对于HIV的治疗具有重要意义。最新研究[9]显示脂肪酸代谢的酰基辅酶A合成酶短链家族成员2(acetyl-CoA synthetase 2，ACSS2)是巴豆酰化转移酶的一种，其促进HIV LTR的组蛋白巴豆酰化修饰，进而调控HIV转录导致潜伏期HIV病毒再激活并参与HIV潜伏期的建立，而ACSS2的抑制剂可抑制潜伏期HIV的病毒复制以及再激活，因此ACSS2诱导组蛋白赖氨酸Kcr修饰是艾滋病毒转录过程中的新型表观遗传调控因子，可作为根除艾滋病毒的潜在治疗靶点。

2.5 巴豆酰化修饰与前列腺癌 前列腺癌是最常见的男性恶性肿瘤之一，欧美发达国家中其死亡率高居第二位。既往研究提示赖氨酸乙酰化修饰与前列腺癌发生发展相关，但新近研究发现组蛋白H4乙酰化修饰表达在前列腺癌组织和正常前列腺组织中无明显差异。国内学者[10]采用H-Score统计分析发现，赖氨酸巴豆酰化在前列腺癌组织中呈下降趋势，但其与前列腺癌的分级呈正相关(r=0.493，P<0.000)，说明其对前列腺癌的诊断和评估具有较好价值，且组蛋白巴豆酰化修饰较非组蛋白巴豆酰化修饰作用可能更大。

2.6 巴豆酰化修饰与肠道菌群 Patrick团队[11]近期发现，组蛋白H3K18巴豆酰化修饰在小肠上皮转录起始区(Transcription start site,TSS)中异常富集，尤其是小肠和结肠的隐窝部分。短链脂肪酸(Short-chain fatty acids,SCFAs)是肠道菌群的主要代谢产物，巴豆酸是一种常见的SCFAs，可作为巴豆酰辅酶A的底物而影响宿主的巴豆酰化修饰及细胞代谢和转录调控[1]。添加巴豆酸可显著增加人结肠癌HCT116细胞系和小鼠小肠类器官组蛋白 H3 和 H4 巴豆酰化修饰水平。而耗竭小鼠肠道菌群在明显降低SCFAs同时还引起组蛋白巴豆酰化修饰水平下调。此外，对TSS区中被巴豆酰化修饰的基因进行KEGG 通路分析，发现其在结肠癌相关信号通路中富集，表明组蛋白巴豆酰化修饰的异常可能与结肠癌发生相关[11]。既往研究[12]表明肠道菌群可通过不同途径促进结直肠癌的发展，结合上述研究结果，肠道菌群失调对组蛋白巴豆酰化修饰的调控可能是导致结直肠肿瘤发生的机制之一。

3 非组蛋白巴豆酰化修饰与疾病

最近，一些研究分别对哺乳动物细胞系如HeLa细胞、人肺腺癌H1299细胞和人结肠癌HCT166细胞中的非组蛋白巴豆酰化修饰进行了研究，也表明非组蛋白中的巴豆酰化参与了多种信号通路和核相关细胞过程。Wei等[3]首次在HeLa细胞发现了非组蛋白巴豆酰化的存在，且巴豆酰化参与细胞周期的调节，而其导致HeLa细胞周期紊乱的具体机制及与宫颈癌疾病本身的发生发展暂未报道。相继，Xu等[13]在人肺腺癌H1299细胞系通过KEGG富集分析表明非组蛋白巴豆酰化参与多种代谢及帕金森病信号通路。Huang等[14]对人结肠癌HCT116细胞系的p300进行特异性敲除处理，且p300敲除组表达下调的巴豆酰化位点涉及衰变，传染病和病毒/真核转化等信号通路。通过生物信息学分析将巴豆酰化与癌症相关联，发现4.5%的癌症蛋白生物标记物被巴豆酰化修饰，且6种被p300靶向的非组蛋白被鉴定为癌基因相关蛋白，为我们研究巴豆酰化修饰相关癌症疾病提供研究方向。此外，Kwon等[15]对斑马鱼胚胎进行非组蛋白巴豆酰化测序，实验结果表明通过核糖体蛋白和肌丝蛋白的巴豆酰基化修饰调节肌肉收缩和蛋白质合成，为今后研究赖氨酸巴豆酰化对衰老和心力衰竭的影响提供了研究基础。非组蛋白巴豆酰化修饰位点及相应信号通路的联系给我们未来对巴豆酰化相关疾病的深入研究提供基础和方向。

4 小结与展望

目前赖氨酸巴豆酰化修饰的研究尚属起步阶段，本文针对赖氨酸巴豆酰化修饰重点综述与疾病关系的最新进展。现有文献仅揭示了组蛋白巴豆酰化与精子发生、急性肾损伤、潜伏期HIV再激活等疾病相关，而具体疾病机制尚未明确。生物信息学分析提示非组蛋白巴豆酰化修饰可能与心力衰竭、帕金森病、癌症等疾病密切相关，为我们提供了相应研究基础和方向。随着高效液相色谱串联质谱、特异性抗体、生物信息数据库等技术的日益突破，为巴豆酰化的广泛研究提供了可靠的研究手段，使我们对赖氨酸巴豆酰化修饰的分子调控机制和生物学功能有更深入地理解，将为我们揭示巴豆酰化修饰在正常生理与疾病中的重要作用以及分子机制，以期为相关疾病的治疗和干预提供新思路。