乙酰化、丙二酰化和琥珀酰化修饰与2型糖尿病关系的研究进展

杨丽芬，赵钺沁，周怡昆

1 昆明理工大学医学院，昆明650504；2 云南省第一人民医院

2型糖尿病(T2DM)是以胰岛素抵抗和胰岛β细胞功能受损为特征的慢性代谢性疾病，是一种常见的慢性非传染性疾病，近年来其发病率逐年升高并呈年轻化趋势。若长期血糖控制不佳或病程日久，T2DM可导致一系列大血管和微血管并发症，如糖尿病肾病、糖尿病视网膜病变、糖尿病神经病变、糖尿病性心脏病等，严重影响患者生活质量。蛋白质修饰是指蛋白质在翻译后的化学修饰，通过改变蛋白质的电性、亲水性或疏水性、空间结构等，使蛋白质构象更复杂、功能更完善、作用更专一、调控更精准[1～3]。常见的蛋白质修饰方式有磷酸化、甲基化、乙酰化、丙二酰化、琥珀酰化等。有研究表明，蛋白质修饰能够通过改变蛋白质的理化性质，从而影响蛋白质空间构象和活性状态，进而诱导或抑制胰岛β细胞功能损伤和胰岛素抵抗，促进或缓解T2DM的发生、发展[4，5]。同时，乙酰化、磷酸化等蛋白质修饰方式能够作用于糖代谢途径中的多种关键酶，通过改变其功能与活性，导致糖代谢紊乱，继而影响T2DM的发生、发展[6]。因此，探索蛋白质修饰或能为T2DM的诊断和治疗提供新的思路。本文结合文献就目前研究较多的乙酰化、丙二酰化和琥珀酰化修饰与T2DM的关系作一综述。

1 蛋白质修饰概述

广义上凡是通过化学基团引入或去除进而使蛋白质共价结构发生改变的，都可以称为蛋白质修饰。蛋白质修饰方式有多种，如乙酰化、磷酸化、甲基化等，在不同修饰状态下蛋白质的功能不同，不同位点进行相同修饰，蛋白质的功能亦不同，如蛋白质中某些位点的磷酸化可能导致其功能激活，而其他位点的磷酸化可能导致其功能抑制。因此，不同的修饰方式对蛋白质功能的影响不同，其对细胞的作用亦不相同[7]。

乙酰化修饰在真核生物和原核生物中普遍存在，是指乙酰基转移酶催化乙酰的乙酰基转移至蛋白质多肽链赖氨酸残基上的过程。乙酰化修饰由乙酰化酶和去乙酰化酶调节，能够对细胞的物质代谢和能量稳态进行多层次、复杂而又精细的调控；乙酰化酶和去乙酰化酶活性的发挥依赖中间代谢产物，且多种代谢产物能够调控乙酰化酶和去乙酰化酶的催化活性[8，9]。因此，乙酰化修饰是调控细胞代谢的重要机制，与代谢相关性疾病的发生、发展密切相关。

丙二酰化修饰是发生在赖氨酸上的一种进化保守的蛋白质修饰类型。它的发生依赖于丙二酰辅酶A将丙二酰基团添加到赖氨酸并将其电荷从+1更改为-1，这一变化不仅改变了蛋白质原先的构象和功能，还影响其与靶蛋白的结合[10]。丙二酰化修饰已被证实存在于多种代谢途径中，如脂肪酸合成与氧化、线粒体呼吸及糖酵解等，但鲜有丙二酰化修饰相关生理功能的报道。

琥珀酰化修饰是一种新型的蛋白质修饰方式，是通过酶活性催化和非酶活性催化两种方式，将琥珀酰基供体上的琥珀基团共价结合至赖氨酸残基上的过程[11]。类似于乙酰化修饰，琥珀酰化修饰利用琥珀酰辅酶A来提供琥珀酰基，而且其修饰过程亦是可逆的[12，13]。蛋白质发生琥珀酰化修饰后，一方面氨基酸残基因结合了分子量较大的琥珀酰基而使蛋白质结构发生明显改变，另一方面因赖氨酸残基所带电荷由+1变为-1，导致蛋白质理化性质和功能发生改变[14]。

2 乙酰化修饰与T2DM的关系

在糖尿病进程中，胰岛素抵抗和胰岛β细胞功能损伤与蛋白质乙酰化修饰密切相关。研究表明，细胞周期素依赖蛋白激酶5(CDK5)是由脯氨酸引导的丝氨酸/苏氨酸激酶，对真核细胞分裂周期起到磷酸化/脱磷酸化的调控作用；高糖诱导的大鼠CDK5乙酰化可导致CDK5启动子甲基化减少，进而促进胰岛素抵抗，延缓T2DM的发生、发展[15]。

SIRT是一种从细菌到人类高度保守的去乙酰化酶类。人类SIRT家族中公认的成员有7个，SIRT1～SIRT7。哺乳动物SIRT可与多种蛋白质相互作用，进而调控细胞应激、代谢、衰老及凋亡等过程。研究发现，SIRT家族作为一类去乙酰化酶可通过NAD+依赖性去乙酰化改变蛋白质活性，从而调控T2DM的发生、发展[16]。T2DM患者骨骼肌SIRT1活性与胰岛素敏感性和线粒体功能呈正相关关系[17]，乙酰化修饰通过提高SIRT1活性进而促进T2DM患者胰岛素敏感性；SIRT3能够抑制细胞葡萄糖调节蛋白乙酰化修饰，整合内质网功能，促进胰岛素分泌，降低胰岛β细胞凋亡和内质网应激，缓解T2DM进展[18]；在SIRT6敲除的小鼠中FOXO1发生乙酰化修饰能够诱导其发生胰岛素抵抗[19]。总之，乙酰化修饰对T2DM的发生、发展至关重要，而SIRT家族在乙酰化或去乙酰化过程中发挥至关重要的作用，可作为乙酰化修饰调控T2DM发生、发展的靶标。但乙酰化修饰参与T2DM发生、发展的具体分子机制仍需进一步研究。

乙酰化修饰还能参与调控糖代谢途径中的关键激酶活性，从糖代谢途径方面促进T2DM的发生、发展。在糖代谢过程中，三羧酸循环中的8个关键酶，包括柠檬酸合酶、顺乌头酸酶、异柠檬酸脱氢酶、α酮戊二酸脱氢酶、琥珀酸硫激酶、琥珀酸脱氢酶、延胡索酸酶、苹果酸脱氢酶，均可被乙酰化修饰。其中，苹果酸的4个赖氨酸残基被乙酰化修饰后可激活苹果酸，被激活的苹果酸经NAD+氧化形成草酰乙酸，能够提高三羧酸循环，从而调控机体葡萄糖水平，缓解胰岛素抵抗，延缓T2DM的发生、发展[20]。因此，三羧酸循环途径中参与糖代谢的关键酶乙酰化修饰水平降低，能够抑制三羧酸循环和糖酵解过程，从而加速T2DM的发生、发展。

3 丙二酰化修饰与T2DM的关系

丙二酰化是2011年被首次发现在赖氨酸上的一种进化保守的蛋白质修饰方式。在丙二酰化修饰过程中，丙二酰辅酶A具有关键性作用。丙二酰辅酶A将丙二酰基团添加到赖氨酸上，进而改变蛋白质原先的构象和功能[10]。近年研究发现，丙二酰辅酶A能够参与T2DM的发生、发展。丙二酰辅酶A脱羧酶在肝内过表达能够降低丙二酰辅酶A表达，逆转胰岛素抵抗，进而延缓T2DM的发生、发展[21，22]；2-异丙基-5-甲基-1，4-苯醌通过下调丙二酰辅酶A，通过抑制丙二酰化调节葡萄糖水平，从而改善高糖环境下胰岛β细胞功能损伤[23]。糖代谢相关蛋白丙二酰化修饰上调能够明显降低细胞中糖酵解通量，促进T2DM的发生、发展[24]。因此，降低糖代谢相关蛋白丙二酰化修饰可能有助于提高T2DM患者糖代谢水平。

另外，SIRT家族成员SIRT5在丙二酰化修饰中亦具有重要作用。如在过量棕榈酸和葡萄糖环境下，SIRT5能够抑制线粒体蛋白丙二酰化，缓解胰岛β细胞凋亡和功能损伤，进而促进胰岛素分泌，抑制T2DM的发生、发展[25]；棕色脂肪组织缺失SIRT5，能够促进线粒体蛋白丙二酰化，导致线粒体功能损伤，继而引起胰岛β细胞功能损伤，促进T2DM的发生、发展[26]；在糖酵解/糖异生途径中，丙二酰化是SIRT5的直接靶标[27]，当SIRT5缺失时，赖氨酸被丙二酰化修饰，通过对糖酵解通量的负反馈调节，将葡萄糖从糖酵解中氧化分解转向糖原合成或戊糖磷酸途径，进一步抑制糖酵解通量，上调机体葡萄糖水平，从而促进T2DM的发生、发展[28]。

总之，SIRT5、丙二酰辅酶A可作为预防和治疗T2DM发生、发展的分子靶标，但二者通过丙二酰化修饰调控T2DM发生、发展的具体分子机制仍需进一步研究。

4 琥珀酰化修饰与T2DM的关系

琥珀酰辅酶A是三羧酸循环、卟啉合成等代谢途径中的重要中间代谢产物，其稳态对正常细胞的生理学功能至关重要。与丙二酰化修饰的功能相似，琥珀酰化修饰水平上调对三羧酸循环和细胞糖酵解功能亦具有抑制作用。

有研究表明，高糖可诱导琥珀酰辅酶A上调，导致更多糖酵解相关蛋白发生琥珀酰化修饰，促进葡萄糖积累，从而导致胰岛素抵抗[29]。在不同生物体中，大多数与三羧酸循环相关的酶可发生琥珀酰化修饰，如在三羧酸循环中发挥限速作用的异柠檬酸脱氢酶1[14]。

SIRT家族能够调控琥珀酸脱氢酶复合物，从而在糖酵解和三羧酸循环中发挥重要作用。其中，SIRT5作为去琥珀酰化的关键蛋白，可去除琥珀酸脱氢酶和丙酮酸脱氢酶复合物赖氨酸残基上的琥珀酰辅酶A基团，使蛋白质去琥珀酰化。丙酮酸脱氢酶复合物活性与机体葡萄糖代谢密切相关，故丙酮酸脱氢酶复合物功能障碍与T2DM的发生、发展密切相关。当SIRT5缺失时，组蛋白及糖酵解相关蛋白质发生琥珀酰化修饰，琥珀酸脱氢酶和丙酮酸脱氢酶复合物水平下调，进而导致糖代谢途径失衡，为T2DM的发生、发展提供了必要条件[30]。尽管目前的研究证实，琥珀酰化比甲基化、乙酰化等蛋白质修饰方式更易引起蛋白质结构和功能变化，但琥珀酰化修饰在T2DM发生、发展中作用的研究尚少，其具体的分子机制有待于进一步深入研究。

综上所述，乙酰化、丙二酰化、琥珀酰化三种蛋白质修饰方式均能通过改变蛋白质构象和功能，参与糖代谢或糖酵解途径，促进或改善胰岛素抵抗及调控胰岛β细胞增殖或凋亡，继而在T2DM的发生、发展中发挥重要作用。目前，这三种蛋白质修饰方式在T2DM发生、发展中的具体分子机制还不十分清楚，仍需要进一步深入研究。