蛋白质翻译后修饰在眼科疾病中的研究进展△

茆馨木 张国伟 袁玉蓉 管怀进

基因表达是利用遗传信息合成具有功能的基因产物，并最终调控细胞功能的过程。蛋白质作为生物系统的功能性产物，是所有下游生化途径的直接和关键参与者。从基因组到蛋白质组，生物复杂性明显增加，而正是蛋白质翻译后修饰(PTM)导致了这一变化。PTM是蛋白质生物合成中的关键步骤,官能团的添加、折叠或去除均会导致蛋白质功能的急剧改变[1]，进而影响疾病的发生发展。

PTM是指蛋白质在RNA翻译后进行的一系列共价修饰，是蛋白质生物合成中的关键步骤。目前已知的PTM有四百多种[2]，糖基化、泛素化、磷酸化和乙酰化是较为常见的类型，而一些其他类型的PTM，如腺苷酸化，则很少被报道。PTM几乎影响细胞生物学的各个方面，对于理解生物学和病理学机制具有重要意义。

1 PTM的类型及意义

1.1 磷酸化磷酸化是一个磷酸基团从5’-三磷酸腺苷或5’-三磷酸鸟苷的γ位点转移到一个底物蛋白质分子的氨基酸残基侧链的过程，这一过程由蛋白激酶催化[1]。磷酸化是研究最广泛的PTM，因为它广泛参与细胞功能。例如，它可以激活或抑制各种酶或受体，从而调节不同的信号通路，控制细胞的新陈代谢、生长和分化、免疫反应和细胞凋亡[3]。真核蛋白的磷酸化最常发生在丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸残基上，介导参与细胞分化和增殖的众多信号网络的活性[4]。与此同时，在细菌、真菌和植物中发现了组氨酸、半胱氨酸和天冬氨酸残基的磷酸化，并可作为双组分和多组分磷酸信号转导途径的一部分[5-6]。此外，目前已有研究证明,组氨酸的磷酸化能够参与真核细胞中代谢信号通路的调节[7]。

1.2 糖基化糖基化是在糖基转移酶作用下将糖转移至蛋白质，和蛋白质上的氨基酸残基形成糖苷键的过程。蛋白质经过糖基化作用，形成糖蛋白。糖基化对蛋白有着重要的修饰作用，有调节蛋白质功能的作用[8]。糖基化可以分为四大类，包括N-糖基化、O-糖基化、C-甘露糖基化和糖基磷脂酰肌醇(GPI)锚定。N-糖基化是指低聚糖附着在分泌蛋白或膜结合蛋白的天冬氨酸残基上，主要发生在真核细胞的内质网中。类似的结合发生在高尔基体、细胞核和细胞质中的各种糖、丝氨酸和苏氨酸残基之间者，则被称为O-糖基化[9]。C-甘露糖基化是指甘露寡糖通过碳-碳键加到氨基酸序列的第一个色氨酸残基上。GPI锚定则是蛋白质的C-端与位于质膜外侧的膜磷脂中糖脂部分的共价连接。糖基化不仅极大地提高了机体蛋白质组的多样性，而且对蛋白质的功能、稳定性和亚细胞定位等有着重要的影响[8]。此外，还原糖与蛋白质、脂质和核酸之间发生非酶促反应的过程，则被称为非酶糖基化(NEG)，又称美拉德反应。NEG的最终产物被称为晚期糖基化终末产物(AGEs)，主要来源于蛋白质的精氨酸和赖氨酸基团与还原糖的羰基发生的反应[10]。

1.3 乙酰化乙酰化是指通过乙酰基转移酶在分子中加入乙酰基的过程[1]。目前已经发现了多种蛋白质可以发生乙酰化修饰，包括组蛋白[11]、p53[12]和微管蛋白[13]等。根据蛋白质乙酰化位点的不同，乙酰化可以被分为三种类型：Nα-乙酰化、赖氨酸乙酰化和O-乙酰化[14]。Nα-乙酰化是最常见的PTM之一，由Nα-乙酰转移酶催化。Nα-乙酰化可以影响蛋白质的稳定性，阻止或产生特定的降解信号[15]。组蛋白赖氨酸残基的α-氨基可以被酶乙酰化或去乙酰化，在调控细胞周期和凋亡中起着重要的作用[11]。O-乙酰化发生在丝氨酸或苏氨酸残基上，只可以在少数真核生物中被检测到[14]。有学者发现一些特定残基上的O-乙酰化能够与磷酸化修饰相竞争[16]，因此，O-乙酰化可能参与调控磷酸化相关信号通路。然而，关于O-乙酰化在生物系统中的作用还有待更深入的研究。

1.4 泛素化和SUMO化泛素是一种大量存在于真核细胞中的高度保守的蛋白质，由76个氨基酸构成。泛素的最后一个氨基酸残基通过酶催化附着在蛋白质赖氨酸残基上的过程称为泛素化[17]，泛素结合蛋白依次在泛素激活酶(E1)、泛素结合酶(E2)和泛素连接酶(E3)的催化下发生级联反应。泛素化通常参与短寿命和异常寿命蛋白等蛋白质的细胞间降解[17]。泛素系统的异常与许多疾病的发生有关，包括神经退行性疾病、恶性肿瘤和免疫疾病等[18]。

在既往的研究中，有学者发现了一种可逆的PTM修饰物，称为小泛素样蛋白修饰物(SUMO)[13]。SUMO蛋白在赖氨酸残基上与多种蛋白质共价结合，这个过程被称为SUMO化，是由特异的SUMO E1激活酶、SUMO E2结合酶和SUMO E3 连接酶共同介导完成的。目前一共发现了四种SUMO蛋白亚型，即SUMO1、SUMO2、SUMO3和SUMO4[19]。虽然SUMO蛋白在功能上与泛素相似，但现今并无研究证明SUMO化可以促进蛋白质降解。目前普遍认为SUMO化参与了一些其他的分子反应，例如影响蛋白-蛋白的相互作用，促进分子内蛋白的转运和定位，抑制蛋白降解等[20]。

1.5 其他类型的PTM除了上述类型的PTM，现有的研究还发现了一些其他相对简单但意义重大的PTM。例如，氧化应激导致特定氨基酸氧化，激活体内蛋白酶活性，诱导细胞凋亡[21]。甲基转移酶将一个碳甲基转移到组氨酸、脯氨酸、精氨酸、赖氨酸或羧基的N-或O-端，这一过程被称为甲基化，与许多重要的生物学功能有关，如基因转录和信号转导[22]。脂化是各种脂类与肽链共价结合的过程，这一修饰可被细分为GPI锚定、N-肉豆蔻酰化、S-棕榈酰化和S-异戊烯化[23]。脂化作用能显著增加蛋白质的疏水性，从而导致其构象、稳定性、定位等发生变化[24]。

2 PTM在眼科疾病中的研究

2.1 与角膜病相关的研究角膜病是最常见的眼病之一，也是视力减退和失明的主要原因。常见的角膜疾病包括炎症、外伤、变性、营养不良、先天异常和肿瘤。研究发现，与正常角膜上皮细胞相比，角膜缘干细胞缺陷症的正常角膜上皮细胞中存在更高水平的多聚泛素化蛋白，泛素化的角蛋白不能及时被蛋白酶体清除，从而形成角膜角蛋白聚集体，引起角膜混浊[25]。有学者提出，表皮生长因子受体磷酸化是角膜伤口愈合的关键步骤之一[26]。Mohan等[26]也发现，核心蛋白聚糖在人角膜基质成纤维细胞中能显著磷酸化表皮生长因子受体，参与角膜伤口愈合的调节。此外，在角膜上皮干细胞中，β-纤维素能够刺激erk1/2信号通路的磷酸化，促进角膜上皮干细胞增殖和角膜伤口愈合[27]。除了影响角膜伤口愈合，PTM还广泛参与了不同类型角膜炎的发生发展。例如，在真菌性角膜炎患者中，组蛋白H3的乙酰化水平降低，下调的乙酰化组蛋白H3可能和真菌性角膜炎的炎症反应增加有关[28]。还有研究发现，铜绿假单胞菌感染后，角膜上的糖原合酶激酶3β(GSK3β)磷酸化水平明显降低[29]。TANG等[30]提出，烟曲霉感染后，maresin1能促进角膜GSK3β磷酸化，导致GSK3β蛋白失活，从而失去了其原有的促进炎症反应的功能，这为烟曲霉性角膜炎的治疗提供了新思路。

2.2 与白内障相关的研究白内障是世界范围内致盲率最高的眼部疾病，其确切的发病机制尚未见报道。研究发现，晶状体蛋白的乙酰化修饰可导致部分结构改变和稳定性增强，增强α-晶状体蛋白伴侣样活性[31-32]，还能够抵抗同型半胱氨酸硫内酯对晶状体蛋白结构和功能的损伤，从而抑制白内障的发生发展。然而，增加晶状体蛋白的水解不稳定性是这种修饰的主要缺点[31]。Rong等[33]针对核性、皮质性和后囊下性白内障中组蛋白的乙酰化修饰进行研究，发现三种类型白内障的组蛋白乙酰化位点没有差异，但乙酰化程度在不同位点的表现有所不同。组蛋白乙酰化程度在核性、皮质性和后囊下性白内障间的差异可能是影响不同类型年龄相关性白内障发病方向的因素之一。SUMO化在调节眼睛发育中起着不可或缺的作用。有研究发现，SUMO化能主动调节晶状体细胞分化[34]，且SUMO化酶表达模式的改变与氧化应激诱导的白内障发生有关[35]。LIU等[36]对不同年龄段白内障患者晶状体中SUMO E2结合酶(Ubc9)和去SUMO化酶(SENPs)及其底物蛋白(Pax6)的变化模式进行了检测，发现Ubc9和SENP6呈年龄依赖性增长。Pax6异构体p46 Pax6在正常晶状体中呈年龄依赖性下降，在年龄相关性白内障患者中保持相对稳定，但在复杂性白内障中发生双SUMO化。这一结果为年龄相关性白内障和复杂性白内障提供了可能的分子标志物。Li等[37]研究了不同的NEG诱导剂，如核糖、半乳糖和甲基乙二醛对人γd-晶状体蛋白的影响，发现NEG引起的人γd-晶状体蛋白结构特征和聚集行为的变化取决于所使用的NEG诱导剂的类型。这一发现为NEG诱导白内障的分子机制提供了一个更全面的理解，并可能有助于发展潜在的治疗策略，从而有效地抑制糖尿病性白内障。还有研究报道，番红花能抑制α-晶状体蛋白的NEG和聚集，保留该蛋白的结构功能，降低糖尿病性白内障的风险[38]。Patil等[39]在高糖诱导的晶状体器官培养研究中发现了八种膳食类黄酮能够抑制晶状体蛋白的NEG，发挥抗白内障的作用，为治疗糖尿病性白内障提供了可能的候选药物。

2.3 与青光眼相关的研究青光眼是一种慢性退行性疾病，其特征是视网膜神经节细胞选择性死亡[40]，高眼压和炎症在其发病机制和疾病进展中起着关键作用。有研究发现，在DBA/2J小鼠视网膜和视神经组织中诱导AMP激活的蛋白激酶磷酸化能触发NF-κB 信号转导，从而诱发促炎反应[41]。Chiasseu等[40]提出，高眼压会引起微管相关蛋白tau磷酸化的表位依赖性改变，继而视网膜中出现tau寡聚体，促进了青光眼的视神经变性。此外，有学者在原发性开角型青光眼患者的小梁网细胞中发现了组蛋白H3乙酰化明显增强，而组蛋白高乙酰化又能显著增加青光眼相关因子TGF-β2的mRNA和蛋白表达[42]，这一发现提示了组蛋白高乙酰化可能是诱发青光眼患者小梁网损害的重要因素。

2.4 与视网膜疾病相关的研究年龄相关性黄斑变性(AMD)又称老年黄斑变性，是发达国家不可逆的中心视力丧失的主要原因[43]。AMD是一个复杂的多因素疾病，涉及多种遗传和环境因素等[44]。氧化应激和衰老是AMD最主要的危险因素[45-46]。有学者在AMD小鼠模型中发现了在氧化应激诱导的视网膜变性过程中，SUMO E1、E2、E3酶的表达和分布均发生了动态改变[47]，说明了SUMO化在AMD的发病过程中可能存在着潜在的调节作用。Beak等[48]研究发现，抑制角蛋白8磷酸化可以抑制氧化应激诱导的视网膜色素上皮细胞的上皮间质转化并防止细胞死亡。Song等[49]提出，氧化应激介导的NF-κB磷酸化能够上调p62/SQSTM1，并通过增加自噬促进视网膜色素上皮细胞存活。这些发现为发展有效的AMD治疗手段提供了新的思路。

糖尿病性视网膜病变(DR)是一种常见的糖尿病微血管并发症，约1/3的糖尿病患者患有DR[50]。高血糖是DR进展的主要危险因素,伴随着线粒体活性氧(ROS)的产生和氧化应激的增强，引发一系列生理和生化改变，最终导致微血管损伤和视网膜功能障碍[50-51]。目前认为，糖尿病患者AGE的积累是导致DR发生的因素之一[52]。有学者证实，间香豆酸能够减弱糖尿病大鼠视网膜中的NEG，进而减少AGE的形成，保护组织免受高血糖的有害影响，增强抗氧化活性[53]。Xing等[54]发现，高血糖可能导致人视网膜微血管内皮细胞中的锌指RNA结合蛋白表达上调，诱导人视网膜微血管内皮细胞增殖和迁移，而抑制O-糖基化修饰则可以下调锌指RNA结合蛋白的表达，进而抑制DR的进展。Xu等[55]研究显示，在高糖条件下，糖尿病大鼠视网膜中的O-糖基化水平和转录蛋白3磷酸化水平显著升高，然而增强的O-糖基化可以一定程度地下调磷酸化转录蛋白3并缓解视网膜血管内皮细胞的凋亡，这一发现为DR的发病机制提供了新的认识。此外，Hu等[56]在糖尿病大鼠和细胞模型中发现，SUMO1/Ubc9可通过抑制ROS的产生和细胞凋亡来调节NADPH氧化酶1介导的DR。最新的研究发现，在糖尿病大鼠的视网膜微血管内皮细胞中，敲除血小板内皮细胞黏附分子-1能够使β-catenin的泛素化水平和磷酸化水平显著增加，进而引起视网膜内皮细胞通透性增加[57]。此外，Kida等[58]报道了高葡萄糖能增加视网膜内皮细胞中的胰岛素受体的磷酸化水平，但不会增加周细胞中的磷酸化胰岛素受体。Mishra等[59]则发现，高葡萄糖会引起人视网膜内皮细胞中相对分子质量为66 000的衔接蛋白(p66Shc)的磷酸化水平增强，使其与肽基脯氨酰异构酶的结合增加，并提高了线粒体内p66Shc的水平，导致线粒体ROS水平的增加，引起线粒体损伤。

3 总结与展望

基于PTM的研究有助于我们更全面和深入地认识眼科疾病，并为临床诊疗提供新思路。PTM通过影响角膜、晶状体和视网膜等组织中蛋白质的功能和数量来调控疾病的发生和发展，其作用机制十分复杂。目前PTM在眼科疾病中的研究还处于初级阶段，但随着蛋白质组学技术的不断完善，在不久的将来，PTM及其在眼病诊断和治疗中的应用会得到更详细的研究。