非组蛋白乙酰化修饰的功能与机制Word文档下载推荐.docx

1、鉴于非组蛋白乙酰化的发现， HAT和 HDAC分别更名为 赖氨酸乙酰转移酶（ KAT）和赖氨酸脱乙酰酶（ KDAC）。成千上万个乙酰化位点的鉴定引起了生物医学工作 者的极大兴趣。更重要的是，越来越多的工作表明 ，非组蛋白乙酰化参与了所有主要生物过程。蛋白质组学分析的结果表明， 非组蛋白乙酰化的频率非常高， 且这些蛋白构成哺乳动物细胞中乙 酰化蛋白的主要部分。事实上， 非组蛋白乙酰化涉及生理和疾病相关的关键细胞过程 ， 如基因转录，DNA损伤修复，细胞分裂，信号转导，蛋白质折叠，自噬和新陈代谢等。乙酰化修饰通过多种机制影响蛋白质功能， 包括 调节蛋白质稳定性， 酶活性， 亚细胞定位和与其 他翻译

2、后修饰的 crosstalk 以及通过调控蛋白质 - 蛋白质、蛋白质 -DNA 相互作用 等。丹麦哥本哈根大学诺和诺德基金会蛋白质研究中心 Prof. Chunaram Choudhary 课题组长期致力 于利用定量蛋白质组学，细胞生物学及生物化学系统性地研究细胞信号通路。近日（ 11 月 22 日）， 该课题组在国际专业学术期刊 Nature Reviews Molecular Cell Biology 发表题为 Functions andmechanisms of non-histone protein acetylation 的综述文章。该综述 对非组蛋白乙酰化的功能和分子机制进行了汇总

3、与详细阐述。1、乙酰化的调控乙酰化是通过 KAT将乙酰基从乙酰辅酶 A转移到赖氨酸的 - 氨基侧链而产生的。 这个过程可以 被 KDAC逆转。 乙酰辅酶 A 是细胞发挥功能的关键代谢产物，可以由线粒体中的代谢产生，也可以由 细胞质中脂质合成。 由于乙酰辅酶 A 无法穿越细胞膜结构， 所以乙酰辅酶 A的线粒体和非线粒体库均 是独立产生。乙酰化修饰与乙酰辅酶 A 水平直接相关，特定细胞区域产生的乙酰辅酶 A可使局部驱动乙酰化。据报道， ACLY，ACSS2和 PDC通过局部产生乙酰辅酶 A 来调节组蛋白乙酰化和基因转录。在小鼠实验 中，同时敲除乙酰辅酶 A 羧化酶 1（ACC1）和乙酰辅酶 A 羧

4、化酶 2（ ACC2）都会使蛋白乙酰化水平升 高，推测是由于敲除了 ACC1和 ACC2导致乙酰辅酶 A 水平升高造成的。目前 13个 KATs已得到鉴定 ，并且其中大多数能被归为三个家族： GCN5，p300和 MYST19。 其余 的 KATs， -微管蛋白 N-乙酰转移酶 1（TAT1;也称为 ATAT1）， ESCO1和 ESCO，2 以及组蛋白乙酰转 移酶 1（ HAT1;也称为 KAT1），两两并无同源性。18 个蛋白质去乙酰化是由另外一组蛋白质去乙酰化酶进行的催化反应。人类基因组中共有KDACs。这些 KDACs可以分为两类：锌离子依赖的 HDAC和 NAD+依赖的 Sirtui

5、n 去乙酰化酶2 乙酰化的作用Figure 1 可逆的赖氨酸乙酰化调控非组蛋白的乙酰化涉及多种细胞过程和人类疾病。因此， 乙酰化调节酶和含乙酰赖氨酸 Reader结构域的蛋白质是很好的治疗靶标2.1基因转录蛋白质乙酰化是基因转录的主要调节因子。大多数 KAT定位于细胞核，并起转录共激活的作用。几乎所有乙酰赖氨酸结合的含 bromodomain 蛋白都定位于细胞核， 其中许多直接参与转录调控。 乙酰 化涉及调节超过 100 种包括转录因子，转录共激活因子和核受体在内的非组蛋白。 因此，基因转录 的调节是非组蛋白乙酰化的主要作用。2.2细胞周期在 DNA复制期间，姐妹染色单体通过 cohesin

6、复合物配对，直到有丝分裂才分离。 SMC3 的 ATP酶的头部是 cohesin 复合物的关键组分， 在两个保守残基 Lys105 和 Lys106 处会被乙酰化。 一旦 SMC3 加载到 DNA上， SMC3的乙酰化就会锁住 cohesin 环，使姐妹染色单体结合更加紧密。2.3DNA 损伤修复例如，共济失调毛细血管扩张症突变（ Ataxia telangiectasia mutated, ATM）是 DNA双链断裂 （ DSB）修复的关键调节因子。 TIP60 乙酰化并激活 ATM以响应 DNA损伤， TIP60 的失活使细胞对电 离辐射敏感。此外，乙酰化通过调节 NHEJ促进因子 TP5

7、3 结合蛋白 1（53BP1）向 DNA损伤位点的募集来调节 非同源末端连接（ NHEJ）和同源定向修复（ HDR）之间的 DSB修复途径选择。值得注意的是， CBP直 接乙酰化 53BP1也会干扰 53BP1招募受损的染色质。2.4细胞信号CBP可以介导 RAS1激酶抑制因子（ CNK1;也称为 CNKSR）1 增强子的 pleckstrin 同源结构域（ PH 结构域）的乙酰化。 PH结构域乙酰化驱动 CNK1定位于质膜，其中它与丝氨酸 / 苏氨酸激酶 RAF相互 作用诱导 ERK依赖性细胞增殖和迁移。 ERK 信号的激活形成反馈调节，加强 CNK1乙酰化。IRS2 乙酰化SIRT1 催化

8、 IRS2 脱乙酰化， 增强其磷酸化水平并增强 ERK信号。 SIRT1 的抑制作用增强 水平，并且可能通过促进 IRS2 去磷酸化来抑制 IGF1 信号传导。Figure 2 非组蛋白乙酰化调节的生物过程（ part 1 ）2.5 细胞骨架重排微管由 -和 -微管蛋白聚合构成。它是真核生物细胞骨架的主要成分。 TAT1通过微管末端进入微管，催化 - 微管蛋白的 Lys40 乙酰化。该位点被 HDAC6去乙酰化。 Cortactin 受到 CBP和 p300 介导的乙酰化调控，它与 F- 肌动蛋白结合并有助于肌动细胞骨架蛋白重排和细胞迁移。乙酰化的 cortactin 主要定位于细胞核，降低了

9、与 KEAP1的结合并抑制细胞迁移，而 HDAC6依赖的去乙酰化促 进细胞运动。2.6 蛋白聚集据报道， 蛋白聚集跟多种神经疾病有关。 多种倾向于聚集的蛋白可以被乙酰化修饰， 而且乙酰化 修饰的蛋白影响蛋白聚集的概率。以 TDP43为例， TDP43与肌萎缩性脊髓侧索硬化有关。乙酰化阻碍 TDP43与 RNA结合，促进不溶性的高磷酸化修饰的 TDP43形成3乙酰化对酶的调控 乙酰化通过多种机制调节分布于细胞各区域的 40 多种酶3.1抑制酶的活性乙酰辅酶 A合成酶 1（ACSS1）和 ACSS2分别定位于细胞质基质和线粒体。乙酰化会抑制 ACSS1和ACSS2的活性，而 SIRT1和 SIRT

10、3介导的去乙酰化能恢复 ACSS1和 ACSS2的活性。另外， KAT9介导的 葡萄糖 -6- 磷酸脱氢酶（ G6PD）抑制 G6PD二聚体形成，从而抑制 G6PD的活性。3.2增强酶的活性包括 p300， PCAF和 KAT8在内的乙酰化酶可以发生自乙酰化，乙酰化的 KATs的活性可以得到提高。这种机制类似于蛋白激酶的自磷酸化。3.3改变酶 - 底物特异性乙酰化能改变 E3泛素连接酶 MDM2的底物特异性。 MDM2的 Lys182,Lys185 位点会被 p300乙酰化， 使 MDM2与去乙酰化酶 USP7结合，从而使 MDM2的底物 p53 泛素化。在基因毒性压力下， SIRT2 催化

11、MDM2去乙酰化反应，降低 p53 泛素化水平，增强 p53 稳定性，从而触发细胞凋亡。4蛋白降解的调控 乙酰化既可以调控蛋白酶体依赖的，又可以调控不依赖蛋白酶体的蛋白降解体系。4.1 泛素化与蛋白酶体依赖的蛋白降解途径 一般来讲，乙酰化依赖的蛋白质稳定性的机制是防止蛋白质泛素化，从而抑制蛋白酶体的降解。乙酰化和泛素化可能竞争同一个赖氨酸位点。比如， p300 可以介导 SMAD7 Lys64和 Lys70 位点乙酰 化，阻止 SMAD7被泛素调节因子 1 （SMURF1）泛素化，从而防止 SMAD7被降解。另一方面，乙酰化可以通过增强泛素化加快蛋白降解。 PEPCK1乙酰化可招募 E3泛素连

12、接酶 UBR5，导致 PEPCK1降解。 DNMT1乙酰化会促进 UHRF1对 DNMT1的泛素化作用，最终导致 DNMT1降解。4.2 不依赖蛋白酶体的降解途径除了依赖蛋白酶体降解途径之外， 乙酰化也可以通过介导不依赖蛋酶体的降解途径调节蛋白质稳 定性。例如，丙酮酸激酶 PKM乙酰化通过激活自噬通路降解蛋白。5蛋白质相互作用非组蛋白的乙酰化可以 促进或抑制蛋白质 - 蛋白质相互作用。 据报道， bromodomain 与乙酰化蛋 白相结合。人类蛋白组中包含 61 种 bromodomain，分布于 46 种蛋白之中，而这些蛋白几乎都是核蛋 白。 Bromodomain 相互作用的特点在于低亲

13、合力和配体的杂乱性，这样可以提高响应性，与多种配体 结合。结合串联的 bromodomain 和结合多重乙酰化蛋白可增加蛋白质之间的亲合力。例如，转录因子 C-ets-1 （ ETS1）在其氨基末端的两个残基处的乙酰化促进其与 BRD4的相互作用和 RNA聚合酶 II （Pol II ）的释放。转录调节因子 TWIST 的乙酰化促进其与 BRD4的第二个 bromodomain 的相互作用，而 BRD4的第一个 bromodomain 与乙酰化组蛋白 H4 相互作用，从而促进包 含 TWIST， BRD4， Pol II 的复合物形成，以及编码 WNT5A基因启动子和增强子的阳性转录延伸因子

14、b（P-TEFb）复合物的形成。6调节亚细胞定位乙酰化调节许多非组蛋白定位。 S 期激酶相关蛋白 2（SKP2）核定位信号（ NLS）上的乙酰化促进其细胞质保留并抑制其降解。同样，病毒感染引发病毒 -DNA 感应蛋白 IFI16 核定位序列的乙酰化，从而促进其细胞质定位。Figure 4 乙酰化的功能机制而基于蛋白质组学的研究结果综上所述， 组蛋白的乙酰化修饰在转录调控过程中发挥重要功能，提示我们， 非组蛋白的乙酰化修饰调控占据细胞内蛋白乙酰化修饰的主要部分，并且参与生理和病 理过程的关键步骤。在过去的二十年中， 我们目睹了科学家在非组蛋白乙酰化的调控机制和细胞功能方面取得的巨大 成就。 质谱技术因其快速、灵敏、精确、高通量以及高分辨率的特点，在系统的组蛋白与非组蛋白 翻译后修饰研究中发挥着越来越重要的作用，为揭示非组蛋白更多的调控机制与功能提供研究方向