精氨酰蛋白轉(zhuǎn)移酶及其相關(guān)疾病的研究進(jìn)展

余 爽，王 校，孟亞慧，王 翔

(安徽中醫(yī)藥大學(xué)護(hù)理學(xué)院，安徽 合肥 230012)

細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)從合成到降解，其壽命差異較大，該差異由蛋白質(zhì)的 N 端氨基酸殘基決定，被稱(chēng)為“N 端規(guī)則(N-end rule)”途徑，該途徑是一種蛋白水解系統(tǒng)。N末端殘基(也被稱(chēng)為 N-degron)為蛋白質(zhì)的水解信號(hào)，可以通過(guò)翻譯后修飾(Post-translational modification，PTM)產(chǎn)生，使細(xì)胞增加及蛋白質(zhì)組多樣化，并通過(guò) N-識(shí)別將其泛素化以降解，從而對(duì)細(xì)胞過(guò)程進(jìn)行精細(xì)調(diào)控[1-2]。在各種類(lèi)型的 PTM 中，精氨?；且环N新興的翻譯后修飾，為研究較少的蛋白質(zhì)修飾之一，在多種生理進(jìn)程中起著關(guān)鍵的作用[3]。

精氨?；且环N由ATE1催化的蛋白質(zhì)翻譯后修飾，為真核生物中，產(chǎn)生N-degrons 的關(guān)鍵步驟，可將蛋白質(zhì)的泛素依賴(lài)性降解與其 N 端氨基酸側(cè)鏈的聯(lián)系起來(lái)。研究發(fā)現(xiàn)[4]由 ATE1 介導(dǎo)的精氨?；遣溉閯?dòng)物胚胎發(fā)生、細(xì)胞遷移和蛋白質(zhì)調(diào)節(jié)必不可少的關(guān)鍵調(diào)節(jié)過(guò)程，為真核細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的重要調(diào)節(jié)劑。因此，ATE1 介導(dǎo)的精氨?；F(xiàn)已成為在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)中起關(guān)鍵作用的主要反應(yīng)，使得該酶成為重要的治療靶標(biāo)。本文就 ATE1 的結(jié)構(gòu)功能及其與疾病的相關(guān)性等方面作一綜述。

1 ATE1結(jié)構(gòu)與功能

ATE1是一種進(jìn)化上保守的，不依賴(lài) ATP 的自我調(diào)節(jié)酶，可在體內(nèi)形成不同的功能復(fù)合物，于1963年被首次發(fā)現(xiàn)，主要定位于細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞核，在真核生物中至少由一個(gè)Ate1基因編碼[5]。雖然目前不存在相關(guān)的結(jié)構(gòu)，但ATE1與其原核對(duì)應(yīng)物L(fēng)/F轉(zhuǎn)移酶以及FemABX酶具有一定的結(jié)構(gòu)同源性。其中上述兩種酶主要由 N-乙酰轉(zhuǎn)移酶(GNAT)折疊的三級(jí)結(jié)構(gòu)原件組成，該原件常包含一個(gè)混合極性的六鏈β-折疊，及周?chē)h(huán)繞著四個(gè)混合方向的α-螺旋 GNAT 折疊[6]。盡管序列進(jìn)化完全不同，但推測(cè) ATE1 同樣具有GNAT折疊[7]。在哺乳動(dòng)物中，ATE1有四種同源亞型 ATE1-1、ATE1-2、ATE1-3和ATE1-4，它們由單個(gè)基因的選擇性剪接產(chǎn)生，其中同工型的差異是由于存在外顯子1A或外顯子1B，以及外顯子7A、外顯子7B 或兩者。其中ATE1-1(ATE11B7A)可在除脾臟和肌肉之外的幾乎所有組織中顯著表達(dá)；ATE1-2(ATE11B7B)可在大腦、肝臟和睪丸中顯著表達(dá)；ATE1-3(ATE11A7A)在肌肉組織中表達(dá)較為突出；ATE1-4(ATE11A7B)可在腎臟、睪丸和肌肉中顯著表達(dá)。根據(jù)靶向Asp-β-gal進(jìn)行降解的能力，ATE1-3具有最高水平的精氨?；钚訹8]。由ATE1介導(dǎo)的蛋白質(zhì)精氨?；粌H可將精氨酸(Arg)從氨?；?tRAN 轉(zhuǎn)移到N末端的天冬氨酸、谷氨酸(Glu) 或半胱氨酸(Asp)上來(lái)修飾蛋白質(zhì)，而且還可以催化多肽內(nèi)部側(cè)鏈羧酸鹽(Asp和Glu殘基)[9]。經(jīng)過(guò)修飾后Arg側(cè)鏈上存在明顯的正電荷，可以改變蛋白質(zhì)的表面特性，產(chǎn)生如蛋白質(zhì)的去穩(wěn)定化、降解蛋白質(zhì)活性、調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)相互作用等多種生物調(diào)節(jié)功能，進(jìn)而參與眾多關(guān)鍵的生物途徑如細(xì)胞再生、細(xì)胞分化、應(yīng)激、骨骼肌蛋白降解等[3]。

2 ATE1與疾病

2.1 ATE1與心血管疾病在胚胎發(fā)育過(guò)程中，ATE1基因的敲除可導(dǎo)致肌層發(fā)育缺陷、心肌完整性和心肌細(xì)胞收縮力受損，提示ATE1對(duì)于胚胎心臟的發(fā)育、成熟和血管完整性至關(guān)重要[10]。研究發(fā)現(xiàn)[11]α心臟肌動(dòng)蛋白在發(fā)育過(guò)程中有四個(gè)位點(diǎn)經(jīng)歷了精氨?；?，對(duì)野生型和ATE1基因敲除小鼠心臟中的肌原纖維的超微結(jié)構(gòu)分析表明，ATE1的缺失會(huì)導(dǎo)致心肌肌原纖維結(jié)構(gòu)的缺陷，從而延緩其發(fā)展并影響整個(gè)心臟中肌原纖維的連續(xù)性，引起心臟收縮性缺陷，導(dǎo)致擴(kuò)張性心肌病的發(fā)生，雖然ATE1特異性敲除的小鼠最終因心肌收縮性缺陷而死亡，但其生存期卻為6～12個(gè)月，這一結(jié)果表明ATE1具有細(xì)胞自主功能，并通過(guò)調(diào)節(jié)肌原纖維蛋白來(lái)維持心臟功能。進(jìn)一步研究表明[12]在敲除小鼠胚胎中的ATE1基因后，心肌細(xì)胞內(nèi) Gαq-PLC/PKC-MEK1-ERK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)失調(diào)，使得 PKC、PLC和MEK1等具有心肌保護(hù)作用的的蛋白活性減弱，使心血管的發(fā)育受限，最終導(dǎo)致進(jìn)行性心力衰竭的發(fā)生。而在體外H9C2細(xì)胞及體內(nèi)成年大鼠的腎動(dòng)脈結(jié)扎誘導(dǎo)的心臟應(yīng)激模型的研究中發(fā)現(xiàn)，肥大心臟中ATE1蛋白水平表達(dá)升高，其在心肌細(xì)胞中的敏感性可抑制調(diào)節(jié)心肌肥大和凋亡的基因的表達(dá)。而敲除ATE1基因能夠調(diào)節(jié)由TAK1活性依賴(lài)的MAPK信號(hào)通路聯(lián)級(jí)，阻斷JNK1/2信號(hào)通路，下調(diào)心臟的肥大反應(yīng)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)敲除ATE1基因能夠通過(guò)調(diào)節(jié) TGFβ/Smad信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)以及Caspase3介導(dǎo)的心臟凋亡途徑來(lái)調(diào)節(jié)纖維化基因標(biāo)志物的表達(dá)[13]，表明在有心臟應(yīng)激條件下進(jìn)行ATE1敲低可以起到心臟保護(hù)作用，抑制ATE1活性可能為治療心肌肥大、心肌纖維化引起的心力衰竭提供治療策略。

2.2 ATE1與癌癥ATE1為影響許多癌癥相關(guān)途徑如應(yīng)激反應(yīng)、細(xì)胞周期檢查點(diǎn)、細(xì)胞遷移/黏附的主要調(diào)節(jié)因子。如ATE1可通過(guò)調(diào)節(jié)應(yīng)激反應(yīng)影響DNA突變[14]；ATE1介導(dǎo)的β-肌動(dòng)蛋白的精氨?；烧{(diào)節(jié)肌動(dòng)蛋白的細(xì)胞骨架，從而調(diào)節(jié)其細(xì)胞運(yùn)動(dòng)能力，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的遷移/黏附。另研究發(fā)現(xiàn)[15]ATE1可抑制細(xì)胞致瘤潛能并與人類(lèi)癌癥的轉(zhuǎn)移呈負(fù)相關(guān)。ATE1敲除(KO)的胚胎成纖維細(xì)胞可表現(xiàn)出異?？焖俚姆墙佑|依賴(lài)性生長(zhǎng)、形成細(xì)胞-細(xì)胞接觸的能力降低以及染色體畸變的致瘤特性，且可以在基質(zhì)膠中形成大的集落并表現(xiàn)出侵襲行為；另ATE1-KO細(xì)胞在免疫功能低下小鼠的皮下異種移植時(shí)可形成腫瘤，而這些細(xì)胞的異常生長(zhǎng)可以通過(guò)重新引入穩(wěn)定表達(dá)的特定ATE1亞型來(lái)部分挽救，從而降低了細(xì)胞形成腫瘤的能力。而在一項(xiàng)前列腺癌轉(zhuǎn)移的驅(qū)動(dòng)因素和潛在的預(yù)后指標(biāo)研究中發(fā)現(xiàn)[16]與非轉(zhuǎn)移性細(xì)胞系相比，轉(zhuǎn)移性前列腺癌細(xì)胞系的ATE1蛋白水平降低，并且ATE1的消耗驅(qū)使前列腺癌細(xì)胞向更具侵襲性的促轉(zhuǎn)移表型發(fā)展。此外，腫瘤陣列研究和生物信息學(xué)分析表明，ATE1在幾種類(lèi)型的人類(lèi)癌癥樣本中在蛋白質(zhì)水平上下調(diào)，其轉(zhuǎn)錄水平與轉(zhuǎn)移進(jìn)展和患者存活率呈負(fù)相關(guān)，表明ATE1對(duì)于腫瘤抑制及轉(zhuǎn)移性生長(zhǎng)是必不可少的[10]。而ATE1修飾后的鈣網(wǎng)蛋白在硼替佐米處理的人神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞系凋亡中的調(diào)節(jié)作用[17]，以及慢病毒介導(dǎo)的ATE1敲低顯著促進(jìn)肝癌的生長(zhǎng)、遷移和疾病進(jìn)展等，表明ATE1是未來(lái)癌癥診斷和治療研究的有力候選靶點(diǎn)。

2.3 ATE1與神經(jīng)退行性病變ATE1介導(dǎo)的精氨酰化在維持神經(jīng)變性的重要因素如α-突觸核蛋白(α-syn)、β-淀粉樣蛋白、TAR DNA結(jié)合蛋白(TDP43)蛋白水解片段的正常生理功能方面起著關(guān)鍵作用。其中α-syn是一種定位于突觸前神經(jīng)元的蛋白質(zhì)，當(dāng)失調(diào)時(shí)，它在大腦中的聚集和路易小體的形成被認(rèn)為是導(dǎo)致帕金森病發(fā)展的一個(gè)因素[18]；β-淀粉樣蛋白可通過(guò)在大腦中形成稱(chēng)為斑塊的聚集體而導(dǎo)致阿爾茨海默??；TDP43的聚集對(duì)肌萎縮側(cè)索硬化(ALS) 及其他許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病均有影響[19]。而ATE1可有助于α-syn蛋白質(zhì)的規(guī)則折疊，促進(jìn)β-淀粉樣蛋白的精氨?；偈狗核厮饷赶到y(tǒng)清除聚集的TDP43，進(jìn)而調(diào)節(jié)神經(jīng)退行性過(guò)程[4]。此外ATE1可通過(guò)觸發(fā)神經(jīng)組織再生協(xié)調(diào)細(xì)胞骨架重排和膜擴(kuò)張，促進(jìn)軸突再生，調(diào)節(jié)或限制再生過(guò)程的神經(jīng)膠質(zhì)反應(yīng)參與神經(jīng)退行性病變[20]。使用不同類(lèi)型ATE1突變小鼠的研究證明了蛋白質(zhì)精氨酰化在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過(guò)程中的重要性。研究發(fā)現(xiàn)ATE1缺失的條件性小鼠出生后存活率低，并且腦部異常，神經(jīng)元減少，且生長(zhǎng)錐遷移存在明顯缺陷，而ATE1可以靶向神經(jīng)元生長(zhǎng)錐并在大腦發(fā)育過(guò)程中調(diào)節(jié)神經(jīng)突生長(zhǎng)[21]；另ATE1敲除的小鼠大腦顯示出缺陷的G蛋白信號(hào)，使神經(jīng)上皮細(xì)胞的有絲分裂減少，可在神經(jīng)管附近顯示出嚴(yán)重的腦出血和囊性間隙，表明ATE1的消融可導(dǎo)致神經(jīng)管發(fā)育缺陷[22]；此外ATE1缺陷的小鼠大腦出現(xiàn)水腫增大，驚嚇?lè)磻?yīng)增強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)度，容易癲癇發(fā)作；而當(dāng)ATE1催化活性損害時(shí)，可導(dǎo)致Arg/N-末端規(guī)則途徑蛋白水解活性受到抑制并最終誘導(dǎo)神經(jīng)元細(xì)胞凋亡[23]。表明ATE1在腦生理學(xué)及神經(jīng)發(fā)育中發(fā)揮重要作用。

2.4 ATE1與其他疾病ATE1介導(dǎo)的精氨?；笔?dǎo)致血小板肌球蛋白磷酸化受損、凝塊收縮和體內(nèi)血栓形成表明ATE1可作為血小板功能的新型調(diào)節(jié)劑[24]，可能在血小板功能障礙性疾病中發(fā)揮著一定的作用；而采用Cre-lox技術(shù)刪除出生后小鼠ATE1基因可導(dǎo)致小鼠體重快速下降，盡管食欲亢進(jìn)，幸存的ATE1缺陷小鼠幾乎不含內(nèi)臟脂肪，且代謝率增加、白色脂肪中Ucp1解偶聯(lián)蛋白異位誘導(dǎo)，并且對(duì)飲食誘導(dǎo)的肥胖具有抵抗力，另ATE1的抑制或敲除嚴(yán)重阻礙了前脂肪細(xì)胞向成熟脂肪細(xì)胞的分化，表明ATE1可能與肥胖相關(guān)性疾病存在一定的聯(lián)系[23]；此外，ATE1的缺失可導(dǎo)致精母細(xì)胞的缺陷，引起雄性小鼠的不育，表明ATE1可能與男性不育存在一定的相關(guān)性。

3 小結(jié)

ATE1介導(dǎo)的精氨酰化為全球生物調(diào)節(jié)劑，對(duì)眾多不同的生物過(guò)程至關(guān)重要。但該酶是如何被調(diào)節(jié)的，其功能需要哪些輔助因子，其相關(guān)的作用底物是否具有特異性，仍需要進(jìn)一步的探討。因此，采用現(xiàn)代先進(jìn)的技術(shù)平臺(tái)進(jìn)行科學(xué)縝密的研究設(shè)計(jì)全面了解ATE1的生物學(xué)作用、深入探討其在不同生理途徑和病理狀態(tài)中的參與及調(diào)節(jié)機(jī)制，將有利于全面揭示ATE1對(duì)人類(lèi)健康維護(hù)的意義，為相關(guān)疾病的治療提供一個(gè)新的靶點(diǎn)。