长文解析Nature综述：全面了解！ 非组蛋白乙酰化修饰的功能与机制
景杰生物/解读
景杰编者按：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Reader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 and mechanisms 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ε-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，α-微管蛋白N-乙酰转移酶1（TAT1;也称为ATAT1），ESCO1和ESCO2，以及组蛋白乙酰转移酶1（HAT1;也称为KAT1），两两并无同源性。
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18个KDACs。这些KDACs可以分为两类：锌离子依赖的HDAC和NAD+依赖的Sirtuin去乙酰化酶。
2乙酰化的作用
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。
2.3 DNA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TP53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CNKSR1）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。
胰岛素受体底物2（IRS2）是胰岛素和胰岛素样生长因子1（IGF1）信号传导的关键接头分子。SIRT1催化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IRS2乙酰化水平，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α-和β-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α-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SIRT3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。
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，而基于蛋白质组学的研究结果提示我们，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
参考文献
T Narita, et al., 2018, Functions and mechanisms of non-histone protein acetylation, Nat Rev Mol Cell Biol, Nov 22. doi: 10.1038/s41580-018-0081-3.
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