赖氨酸乙酰化与相关疾病研究

赵恒，林章

（福建师范大学南方生物医学研究中心；福建省天然免疫生物学重点实验室，福建 福州 350013）

赖氨酸乙酰化是在真核细胞几乎所有细胞过程中都涉及的翻译后修饰[1]，其中主要包括中心代谢、染色质重塑、转录激活、蛋白质稳定化和亚细胞定位等[2]。赖氨酸乙酰化反应主要是组蛋白/赖氨酸乙酰转移酶（HATs/KATs）能够将赖氨酸残基乙酰化，也能在组蛋白/赖氨酸去乙酰基酶（HDACs/KDACs）作用下去除[3]，同时在线粒体基质中也可以发生非酶促反应的乙酰化或去乙酰化过程。酶促乙酰化过程是通过HAT将乙酰基从AcCoA转移到赖氨酸残基中的ε氨基而发生的；相反去乙酰化过程通过使用Zn2+作为辅因子的HDAC或由Sirtuins（沉默信息调节因子）从赖氨酸残基上除去乙酰基[4]。

在生物细胞过程中广泛存在不同的KAT和HDAC，而细胞中由于KAT/HDAC差异引起赖氨酸乙酰化或去乙酰化可能是导致多种疾病发生的原因。目前根据报道与赖氨酸乙酰化或去乙酰化相关的疾病主要有癌症、发育异常相关的疾病、心血管疾病、糖尿病、神经退行性疾病（阿尔茨海默氏病[AD]、帕金森氏病）、病毒感染等。

1 赖氨酸乙酰化对癌症影响

癌症中赖氨酸乙酰化对调节蛋白质功能和定位起重要作用。现已经报道有KAT/HDAC和赖氨酸乙酰化解读器的失控有关，例如肿瘤抑癌基因p53受到乙酰化修饰调节[5]。CBP/p300与前列腺癌细胞、神经胶质瘤、黑色素瘤细胞、肾细胞癌有关；GC5N已被证明参与了白血病细胞和神经母细胞瘤细胞、T细胞淋巴瘤中的PCAF、肺腺癌、前列腺癌等；Tip60与乳腺癌细胞；鳞状细胞癌等有关[6]。其中还包括HDAC6的失调可调节血管生成、细胞迁移和趋化性，以及促进前列腺癌中基因的表达。SIRT3负面调节活性氧的产生与HIF1a的稳定性；SIRT1可以促进p53的蛋白酶体降解，并负调控c-MYC目标基因[4]。因此，对乙酰化蛋白进行靶向治疗成为肿瘤治疗新思路。

目前KAT、I/II类HDAC、Sirtuins和Bromodomain（溴结构域）抑制剂已经作为抗癌产品，其中HDAC抑制剂可归为5类化合物的成员：苯甲酰胺、环状四肽、异羟肟酸酯、短链脂肪（脂肪族）酸和去乙酰化酶抑制剂。HDAC抑制剂伏立诺他（Vorinostat）、罗米地辛（Romidepsin）和贝利司他（Belinostat）已被美国食品药品监督管理局批准用于某些T细胞淋巴瘤，帕比司他（Panobinostat）已被批准用于多发性骨髓瘤。短链脂肪酸、丙戊酸（VPA）、丁酸和苯基丁酸是HDAC I和II类的弱抑制剂，VPA已注册用于双相情感障碍和癫痫的治疗，并已与其他短链脂肪酸HDAC抑制剂作为抗癌药一起用于皮肤T细胞淋巴瘤的治疗。尽管尚未完全确定所有抑制剂的作用机理，但HDAC抑制剂可调节免疫反应，诱导细胞周期停滞、凋亡、分化和细胞死亡、并减少血管生成，其他HDAC抑制剂也正在临床上用于治疗血液和实体恶性肿瘤[7]。

2 赖氨酸乙酰化对免疫系统影响

HDACs（1，2和3）与免疫应答和免疫信号的调节有关，赖氨酸乙酰化通过靶向组蛋白/非组蛋白来调节负向/正向干扰素与TLR信号传导，在病原体感染、抗原和慢性炎症中均有该种反应参与。此外赖氨酸乙酰化在脂质代谢调节和有毒脂质介质积累中，参与了一种被称为Inmunometabolic（免疫代谢）调节的过程，这表明赖氨酸乙酰化在肥胖症和相关代谢性疾病（KAT和HDAC调节中）起着核心作用，其主要是通过调节胰岛素信号级联反应中蛋白质（包含涉及葡萄糖、脂质和碳代谢其他蛋白质）乙酰化来提高胰岛素敏感性[8]。

赖氨酸乙酰化和去乙酰化也在病毒感染宿主细胞中发挥作用。人类免疫缺陷病毒（HIV）感染可稳定微管并促进宿主细胞中的微管蛋白乙酰化，因此HDAC6过表达抑制了HIV感染。在甲型流感病毒感染过程中HDAC6起到抑制作用，HDAC6通过乙酰化微管下调病毒组分并向宿主细胞膜的转运。HDACs抑制剂也已被用于抗病毒（如Vorinostat），它能够消除接受抗逆转录病毒疗法的患者的HIV-1潜伏期[9]。

3 赖氨酸乙酰化对神经性疾病的影响

阿尔茨海默氏病（AD）是一种典型的精神性疾病。阿尔茨海默氏病（AD）中Tau的乙酰化会削弱Tau的稳定作用，促进病理性Tau聚集，因此Tau中Lys-174乙酰化已被确定为AD的早期标记[10]。HDAC6能够去除这种修饰，当小鼠中HDAC6沉默时，所有组织中α微管蛋白都被高度乙酰化，这些突变体显示出免疫反应受损、活动过度、焦虑降低和抑郁降低[11]。

另一种神经退行性疾病帕金森氏病，该疾病能够影响中枢神经系统的运动系统。LRRK2（富含亮氨酸的重复激酶2）基因的突变是该病最常见的遗传来源，基于微管的轴突运输不完善也可能是疾病形成的原因之一[12]。与此相关LRRK2与β微管蛋白直接相互作用并抑制α微管蛋白乙酰化，这表明在正常细胞环境中该激酶充当微管乙酰化的负调节剂[13]。与野生型LRRK2相反，携带帕金森氏病相关突变的两个突变体能够形成丝状亚细胞结构，而表达ATAT1或抑制HDAC6可阻止此类结构的形成。此外，微管蛋白乙酰化还与其他神经系统疾病如腓骨肌萎缩症（Charcot-Marie-Tooth）和杭廷顿氏舞蹈病（Huntington病）相关，其中HDAC6能够抑制细胞内囊泡运输[14]。

抑制剂治疗上，HDACs抑制剂的临床试验主要集中在癌症治疗上，并对其他非恶性疾病，如骨质疏松症、脊髓性肌萎缩症、阿尔茨海默氏病（AD）、帕金森氏症和亨廷顿氏病也具有潜在作用，此类抑制剂还可以显著增强小鼠的记忆形成和突触可塑性[15]。

4 赖氨酸乙酰化对发育/心血管生理影响

人体中几种HDAC/KAT的突变也与发育异常有关。SMC3和HDAC8基因的突变与Cornelia de Lange综合症有关，而编码SMC3乙酰转移酶的ESCO2基因的突变与阔拇指综合症（Rubinstein - Taybi综合症）有关。此外，Rubinstein Taybi综合症是由EP300和CREBBP中的突变产生的；KAT6A突变与发育迟缓和智力残疾有关[16]；生殖器髌骨综合症（Genitopatellar综合症）和睑裂狭小-智力障碍障综合症（Ohdo综合症）则由KAT6B的突变引起[15]。

在心脏中赖氨酸乙酰化在维持氧化还原平衡、心脏底物选择和生物能表现中有着重要作用。HDAC抑制剂已被证明可以降低压力超负荷驱动的间质性心肌纤维化，并逆转Hop转基因小鼠中出现的心房纤维化和心律不齐性[17]。赖氨酸乙酰化已被确定为心脏蛋白水解活性的内源性调节剂，抑制HDACs可以有效改变20S蛋白酶体复合物的乙酰化特性，并增强健康、不健康的鼠类和人心肌的蛋白水解功能。因此，可以说HDAC抑制剂可以调节心脏的蛋白酶体功能[18]。

5 结论

赖氨酸乙酰化/去乙酰化在生物过程中至关重要，在机体中由于乙酰化或去乙酰化所引起的疾病也有很多，这些具体的生物过程还有很多问题需要解决。随着蛋白组学的不断发展及高分辨率质谱出现，为鉴定和定量乙酰化/去乙酰化提供了新方法，这对了解疾病以及治疗和诊断提供极大帮助，技术进步丰富了对这一领域生物过程的认知，为疾病的治疗提供更多的可能性。其次，在抑制剂的筛选上，目前的抑制剂都具有非常全面的作用，因此会影响所有乙酰化的靶蛋白，进而对细胞骨架的组织、自噬、RNA加工和稳定性、蛋白质折叠、蛋白质聚集、蛋白质降解、蛋白质-蛋白质相互作用等产生影响，甚至它们还会影响PTM、如琥珀酰化、丙酰化、泛素化和磷酸化。为此，当前主要目标是开发与其他药物或放疗结合使用的新抑制剂，其能够有确定的靶标，达到增强治疗效果而没有副作用或副作用极小的目的。