非组蛋白乙酰化修饰的功能与机制

1、非组蛋白乙酰化修饰的功能与机制翻译后修饰是调节各种生物过程的关键表观遗传机制。赖氨酸乙酰化修饰 作为组蛋白的翻译后修饰，已在基因转录调控作用中被进行了广泛研究。蛋白质的精确控制对于生物体的功能至关重要。 在不同的调节过程中，可逆性翻译后修饰（PTM 是极好的控制蛋白质功能的机制。 其中一个关键优势在于 PTM比蛋白质调节速度更快， 且需要更低的 能量。Vincent Allfrey 及其同事于1964年首次在组蛋白上发现了赖氨酸乙酰化修饰。乙酰化修饰是 在进化上保守的 PTM其同时存在于原核生物和真核生物。哺乳动物组蛋白乙酰基转移酶（HAT*、去乙酰化酶（HDAC的发现与鉴定，乙酰赖氨酸Rea

2、der结构域的发现，以及去乙酰化酶抑制剂的发现为非组蛋白乙酰化修饰的研究铺平了道路。在过去的十年中，基于质谱的蛋白质组学极大地加速了内源性乙酰化蛋白质的发现与鉴定，同时也揭示了非组蛋白乙酰化的调节过程。鉴于非组蛋白乙酰化的发现，HAT和HDA8别更名为 赖氨酸乙酰转移酶（KAT）和赖氨酸脱乙酰酶（KDAC o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

3、基因转录，DN硼伤修复，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

4、 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KDA英转。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 ACSS牙口 PDC通过局部产生乙酰辅酶 A

5、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竣化酶1 (ACC1和乙酰辅酶 A竣化酶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, a -微管蛋白N-乙酰转移酶1 (TAT1;也称为ATAT1 , ESCO1 口 ESCO2以及组蛋白乙酰转 移酶1 (HAT1;也称为KAT0 ,两两并无同源性。蛋白质去乙酰化是由另外一组蛋白质一一去乙酰化酶进行的催化反应。人类基因组中共有18个KDACs这些 KDAC

6、s以分为两类：专离子依赖的HDAG口 NAD依赖的Sirtuin 去乙酰化酶。NTI * 干 PH, TAcetybCoA产 c=。 I也H OAcetyl-lysineHl OLysineFatty acid ynthesiGLiJfosf1MiilonyLCnAGlycolysisACLY*A.ceryl-CoA )AC Cl and ACC?Mitoc h-ondrion卜DCPyruiMteFatty acidfrFatty acid J-oxi dacionTCAC itrj toNucleusPyruvate -AcdyL-CoA-CitratecycleAtetyhransfer

7、asc familyGCN5 GCN51KATIA) PCAF (KW附p3。 CBP(E3A) pl 00 (KAT1BIMYTTIPM IKAT5IMOZ附例MORF(KAT6B)HBOL(KATnMOF (KAIS)Other TATI E5C01E5CO2HAF1 (KAT1)SutKdlular Localization, Nucleus Cytophsm匚 1国4 c ml dear 卢 ryla 号 (Zr!Mependen 0Sirfuin(NADK1116 ClKLliQ11Z5HTghglucose 一igh acetate RKZTOR) * IFigure 2非组蛋白乙

8、酰化调节的生物过程（part 1 ）2.5细胞骨架重排微管由a-和B-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 a-微管蛋白的Lys40乙酰化。该位点被 HDAC法乙酰化。Cortactin 受到CB可口 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，降低了与KEAP1的结合并抑制细胞迁移，而 HDAC脉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TDP

9、43为例，TDP43与肌萎缩性脊髓侧索硬化有关。乙酰化阻碍TDP43与RNA吉合，促进不溶性的高磷酸化修饰的 TDP43形成。3Be Mi ng mud br tdthirtgTATloHDAC6-MicrdtubuieIncreased AxibiEdy 日nd resrtiftnce to me匚I】己】itdl brrdkcjgrNucleusCytop【目Plasma membraneFigure 3 非组蛋白乙酰化调节的生物过程（part 2 ）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。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

10、质基质和线粒体。乙酰化会抑制ACSS1和ACSS2勺活性，而SIRT1和SIRT3介导的去乙酰化能恢复 ACSS1和ACSS2勺活性。另外，KAT9介导的 葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(G6PD抑制G6PDC1聚体形成，从而抑制 G6PD勺活性。增强酶的活性包括p300, PCAFffl 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。改变酶-底物特异性乙酰化能改变E3泛素连接酶 MDM2勺底物特异性。MDM2勺Lys182,Lys185位点会被p300乙酰化， 使MDM2t去乙酰化酶 USP7结合，从而使 MDM的底物p53泛素化。在基

11、因毒性压力下，SIRT2催化MDM及乙酰化反应，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。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SMAD破泛素调节因子1 (SMURF1)泛素化，从而防止 SMAD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。PEPCK匕酰化可招募E3泛素连接酶UBR5导致

12、PEPCK修解。DNMT忆酰化会促进 UHRF1 寸DNMT的泛素化作用，最终导致 DNMTW解。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 PKMZ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

13、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 WNT5廛因启动子和增强子的阳性转录延伸因子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 (SK

14、P2核定位信号(NL0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。A Inhibition of catBlytic activityAutocatalysis?SIRT1 a nd SIRnAcetyl-C oAAcerate4.ActiveKM 2Glucose-b-phcisphflt?6-plwtphoqLuconMe-+NADFHIAmry Larion 0 Pheisphoryatkrn SUhiquityl萧2口b Enhancemem of catalytic activityc Altera

15、tion of substrate specifkityIriiJc civeSIRT2AutocatdlysiAuioubiquirylacionp300引RTLki32and K18Sp5S ubiquttjldiiUSf Enhancement of cytoplamic EocdUzati&nd Enhancement of protein deg rd da tiane Promotion of prot&m-pr&tin mftraeti&nsCytoplasm NucleusK9WK1招 A, Gene日刊况 niingoftranscriptionI irnoj k5rMDNAJ-T辔弋oFigur