景杰学术 | 报道
新陈代谢 (metabolism) 作为生命活动最基本的特征，一方面可以通过合成能量及生物大分子物质直接满足个体生长发育的物质需求；另一方面，越来越多的研究陆续表明，代谢过程中积累的代谢物 (metabolites)，如乳酸、琥珀酸、辅酶A、氨基酸等物质，还能通过蛋白质翻译后修饰 (protein translational modifications, PTMs) 调控细胞生长相关信号通路，影响生长发育过程。
2020年7月20日，肿瘤及代谢疾病信号转导领域著名学者，德国海德堡大学及德国癌症研究中心教授Aurelio A. Teleman及其两位博士研究生Gianluca Figlia、Philipp Willnow，共同在发育生物学领域著名期刊Development Cell (IF=10.092) 上发表题为“Metabolites Regulate Cell Signaling and Growth via Covalent Modification of Proteins”的前瞻性文章 (perspective) [1]，讨论了代谢物如何通过PTMs调节细胞生长相关信号通路。同时，文章也为细胞代谢调节细胞信号、转录及生长提供了许多直接证据。
虽然大多数代谢物结合氨基酸形成PTMs的过程都需特定的酶催化，但在特殊情况下，一些代谢物也可以通过非酶促反应修饰蛋白质。例如，乙酰辅酶A (acetyl-CoA) 的乙酰基通常需要乙酰基转移酶 (lysineacetyl transferases, KATs)，如GNATs、MYST或p300/CBP [2]，才可以与赖氨酸结合形成赖氨酸乙酰化 (lysine acetylation, Kac)。然而，值得注意的是，在线粒体中至今虽未检测到任何一种KATs，线粒体蛋白仍能发生Kac。这可能是因为在线粒体酸性环境下，赖氨酸易与acetyl-CoA硫酯键 (thioesterbond) 发生亲核加成反应（非酶促反应）。与修饰过程不同的是，代谢物修饰蛋白质则必须依赖酶功能，其中，HDACs和SIRT是负责去乙酰化作用的酶[2]。实际上，无论是乙酰基转移酶亦或是去乙酰化酶，都能调控除乙酰化修饰之外的PTMs。最新研究表明，常见的KATs，p300，同时肩负赖氨酸乳酸化 (lysine lactylation, Kla) [2]及赖氨酸巴豆酰化 (lysine crotonylation, Kcr) [3]修饰任务；SIRT也被报道在去琥珀酰化及去丙二酰化修饰中发挥功能。
在经代谢物修饰后，蛋白质的化学结构特性发生改变，继而通过影响蛋白质的定位、构象、稳定性、原有修饰类型以及蛋白质互作（图1），调控蛋白质自身功能。举例来说，在内质网膜、高尔基体膜以及质膜等多种膜结构中，半胱氨酸的棕榈酰化修饰 (palmitoylation) 可以通过增强膜与可溶性蛋白的亲和性，调控蛋白质定位及功能。此外，半胱氨酸还对细胞氧化还原状态十分敏感，极易发生不可逆氧化，使得蛋白质二级空间结构发生改变，干扰蛋白功能；而辅酶A和谷胱甘肽则可以与半胱氨酸可逆性地形成二硫键 (disulfide bond)，防止氧化反应的发生，起到稳定蛋白质功能的作用。哺乳动物雷帕霉素靶点 (mammalian target of rapamycin, mTOR) 是一种重要的丝氨酸-苏氨酸 (Ser/Thr) 蛋白激酶，含有两种复合体mTORC1和mTORC2，在调控细胞生长、增殖和存活过程中发挥重要作用。研究发现，mTORC1催化亚基 (mTOR) 的1218位赖氨酸 (K1218) 发生丙二酰化（malonylation）修饰后，可以降低mTORC1活性及下游目标蛋白质磷酸化水平，从而抑制血管上皮细胞的分化，最终抑制血管生长。Hippo信号通路是调控细胞增殖的另一重要信号通路。Hippo信号主要的效应分子YAP/TAZ，在发生磷酸化后，可与细胞浆中的14-3-3蛋白相互作用形成复合物，从而抑制YAP/TAZ入核进行转录激活，最终抑制细胞增殖。而当YAP的109位丝氨酸 (S109) 发生O-连β-N-乙酰氨基葡萄糖 (O-linked β-N-acetylglucosamine, O-GlcNAc)糖基化修饰后，YAP则无法被磷酸化，从而进入细胞核启动转录促进细胞增殖。细胞自噬 (autography) 是细胞的一种“自食”过程，它将细胞内功能异常的蛋白质、细胞器等物质转运至溶酶体降解，为细胞生长提供必须原料，对维持细胞内稳态具有重要意义。值得注意的是，细胞自噬时刻受乙酰化修饰水平影响：研究显示，饥饿状态时，acetyl-CoA含量降低，可激活细胞自噬；当利用基因/药理学手段提高acetyl-CoA含量后，细胞自噬则无法在饥饿状态下发生。不仅如此，组蛋白乙酰化还可以通过表观遗传学的方式调控自噬过程。近些年来，得益于高精质谱技术，蛋白质修饰组学领域取得了诸多令人瞩目的成就，尤其是多种代谢（废）物对蛋白质修饰作用的揭示，在很大程度上重塑了人们对生物微观调控复杂性的认知。例如，长久以来，乳酸都被视作无氧条件下细胞呼吸代谢产生的“废物”。但2019年10月，芝加哥大学赵英明教授团队在Nature发文，首次发现乳酸能够作为前体物质导致组蛋白赖氨酸发生乳酸化修饰，并参与细菌感染的M1巨噬细胞的稳态调控（Nature重大突破：全新组蛋白乳酸化修饰调控癌症和炎症等疾病）。
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1. Figlia G., Willnow P., Teleman A. A., 2020. Metabolites Regulate Cell Signaling and Growth via Covalent Modification of Proteins. Dev Cell.2. Di Zhang, et al., 2019. Metabolic regulation of gene expression by histone lactylation. Nature.3. Ziqiang Wang, et al., 2019. NEAT1 regulates neuroglial cell mediating Aβ clearance via the epigenetic regulation of endocytosis‑related genes expression. Cellular and Molecular Life Sciences.
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