赖氨酸琥珀酰化修饰:一种新型蛋白质翻译后修饰方式

作者:刘启明[1] 秦奋[1] 
单位:中南大学湘雅二医院[1]

  赖氨酸琥珀酰化修饰是一种新型蛋白质翻译后修饰方式,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酰基团结合到蛋白质赖氨酸残基的过程[1, 2]。2004年,Rosen等[3]最早在大肠杆菌中高丝氨酸转琥珀酰酶上,发现了赖氨酸琥珀酰化修饰。2011年,Zhang等[2]首次对大肠杆菌的3个蛋白质上4个赖氨酸位点的琥珀酰化修饰进行了验证。进一步研究显示,赖氨酸琥珀酰化修饰能够引起蛋白质较大的质量变化(100.0186 Da)[2, 4],而且赖氨酸琥珀酰化修饰能诱导电荷突变(+1至-1)[2],这比赖氨酸的乙酰化修饰和甲基化修饰引起的电荷变化(+1至0和无变化)更大,可与丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸的磷酸化修饰引起的电荷变化(0至-2)相媲美[5],因此赖氨酸琥珀酰化修饰能够产生更大的结构变化和电荷变化,在调控蛋白质结构和功能方面发挥着重要作用。


1 真核生物中赖氨酸琥珀酰化修饰蛋白质的表达和亚细胞定位


  在真核生物中,蛋白质的赖氨酸琥珀酰化修饰广泛存在(表1),但其亚细胞定位却存在较大差异。Weinert等[6]研究显示酵母细胞中定位于细胞质、线粒体和细胞核的赖氨酸琥珀酰化修饰蛋白质分别占总修饰蛋白质数目的68%、8%和24%,在小鼠肝脏组织中赖氨酸琥珀酰化修饰蛋白质在这3大区域的占比分别为30%、64%和6%,而在人宫颈癌细胞中的占比分别为38%、38%和24%。小鼠肝脏组织和人宫颈癌细胞中定位于线粒体的赖氨酸琥珀酰化修饰蛋白质的比例明显高于酵母细胞,可能与哺乳动物的组织/细胞特别是肝脏组织中含有最丰富的线粒体以进行物质和能量代谢有关[7]。


表1 真核生物中赖氨酸琥珀酰化修饰情况

 

 

注:SIRT5 KO:SIRT5基因敲除,MEFs:小鼠胚胎成纤维细胞,I/R:缺血再灌注。


2 赖氨酸琥珀酰化修饰的调控


  关于蛋白质赖氨酸琥珀酰化修饰作用,琥珀酰辅酶A作为赖氨酸琥珀酰化修饰的琥珀酰基供体,能够显著促进蛋白质琥珀酰化修饰的发生[11]。而近年来研究显示α-酮戊二酸脱氢酶复合体[12]和肉碱棕榈酰转移酶1A[13]能够发挥催化琥珀酰化修饰作用酶活性。而关于蛋白质赖氨酸去琥珀酰化修饰作用,大肠杆菌中CoBb是第一个被发现具有去琥珀酰化修饰作用的蛋白酶[5]。而在真核生物中,沉默信息调节因子2家族(SIRT)中SIRT5具有很强的去琥珀酰化酶活性。一系列的研究显示SIRT5基因敲除能够显著上调细胞代谢[8-10, 14-17]和氧化应激[8, 18, 19]等过程中关键酶的琥珀酰化修饰水平。


3 赖氨酸琥珀酰化修饰调控对蛋白质功能的影响


  如表2所示。


表2 赖氨酸琥珀酰化修饰调控对蛋白质功能的影响

 


注:SIRT5 KO:SIRT5基因敲除,MEFs:小鼠胚胎成纤维细胞,I/R:缺血再灌注。


4 赖氨酸去琥珀酰化修饰与心血管系统疾病之间的关系


  4.1 缺血再灌注损伤


  Boylston等[10]在缺血再灌注(I/R)损伤小鼠模型研究中发现,SIRT5 KO小鼠的心肌梗死面积占总心室面积的比例较SIRT5野生型(WT)小鼠显著增加(68.5% vs. 40.2%),可能与心脏组织在缺血期琥珀酸盐累积[20],而SIRT5 KO小鼠中SDH琥珀酰化修饰水平升高导致其活性(催化分解琥珀酸盐同时产生ROS作为副产物)增强[8]引起再灌注期ROS的产生增加有关。研究者用丙二酸二甲酯(SDH的竞争性抑制剂)预处理SIRT5 KO小鼠心脏,结果发现其心肌梗死面积恢复到与SIRT5 WT相当的水平,而小鼠心脏中的ROS水平也显著降低。这些证据表明SDH琥珀酰化修饰在调控I/R损伤中的关键作用。


  4.2 心肌肥厚和心肌纤维化


  Sadhukhan等[15]研究发现SIRT5 KO小鼠中ECHA琥珀酰化修饰水平上调导致其脂肪酸β氧化酶活性显著下降,表现为在禁食和运动等需要能量的情况下,心脏组织中脂肪酸氧化底物长链脂酰辅酶A的显著积累以及心脏ATP水平降低。超声心动图检查结果显示,8周龄的SIRT5 KO小鼠心脏的缩短分数和射血分数均较SIRT5 WT小鼠降低,提示心功能降低。而在39周龄时,SIRT5 KO小鼠则主要表现出心肌肥厚和心肌纤维化的特征。


  4.3 心房颤动


  已有研究表明心肌能量代谢异常可导致心房颤动(房颤)易感性增加,同时房颤反过来也会加重心肌能量代谢紊乱[21]。心肌能量代谢紊乱也能够导致ROS增多[22],而过量的ROS会损伤细胞内重要的基因和蛋白质,损害心肌细胞功能,促进炎症因子释放[23],ROS还可以诱导心脏成纤维细胞分化为肌成纤维细胞[24],通过这些方式ROS能够促进房颤的发生发展。如前文所述,蛋白质琥珀酰化修饰参与细胞中物质代谢和能量生成和ROS调控的多个环节,因此推测蛋白质赖氨酸琥珀酰化修饰与房颤之间存在密切联系。近期Bai等[25]关于慢性房颤患者左心耳组织的琥珀酰化修饰组学研究也证实了该推测,其结果显示能量代谢、氧化应激、心肌收缩和细胞外基质相关蛋白质的琥珀酰化修饰调控参与房颤的发生发展。


5 小结


  综上所述,蛋白质赖氨酸琥珀酰化修饰经历了由发现到验证,定性分析到功能研究,单细胞生物到哺乳动物再到人类组织/细胞研究,单一蛋白质到系统性组学研究,正常细胞组织到与疾病之间关系的研究的过程。相信随着研究的进一步深入,蛋白质赖氨酸琥珀酰化修饰能够为疾病防治提供新的思路和潜在的防治靶点。


    2019/6/29 10:12:50     访问数:891
    转载请注明:内容转载自365医学网

大家都在说       发表留言

客服中心 4000680365  service@365yixue.com
编辑部   editor@365yixue.com

365医学网 版权所有 © 365heart All Rights Reserved.

京ICP备12009013号-1
京卫网审[2013]第0056号
京公网安备110106006462号
京ICP证041347号
互联网药品信息服务资格证书(京)-经营性-2018-0016  
搜专家
搜医院
搜会议
搜资源
 
先点击
再选择添加到主屏