劉佳，陳建華

蛋白質(zhì)Nα-末端乙酰化的功能研究進(jìn)展

劉佳，陳建華

蛋白質(zhì) Nα-末端乙?；揎検怯?Nα-末端乙酰轉(zhuǎn)移酶（NATs）所催化的酶促反應(yīng)過(guò)程，其結(jié)果是蛋白質(zhì) N-末端的 α氨基接受來(lái)自于乙酰輔酶A（AcCoA）的乙?；?。在真核生物中 Nα-末端乙?；且环N廣泛存在的蛋白質(zhì)修飾方式，大約有 68%的酵母蛋白質(zhì)和 85%人蛋白質(zhì)是 Nα-乙?；揎椀模?］，但原核和古細(xì)菌蛋白卻很少發(fā)生乙酰化。目前已發(fā)現(xiàn)在真核生物中存在 6個(gè) NATs亞型（NatA～NatF），每一亞型由一個(gè)或多個(gè)亞基組成，且各自都有其獨(dú)特的底物特異性，如起始甲硫氨酸被切除后，N-末端的絲氨酸、丙氨酸、蘇氨酸、甘氨酸和纈氨酸都能夠被NatA催化乙?；∟-末端第三個(gè)氨基酸為脯氨酸除外）［2］。盡管高等真核生物有更多蛋白質(zhì)是 Nα-末端乙?；揎椀?，表達(dá)更多的 NATs，但是酵母等低等真核生物的 Nα-末端乙?；Ｊ胶?NAT催化機(jī)制與高等真核生物是相似的［3］。到目前為止，人們發(fā)現(xiàn) Nα-末端乙?；哂姓{(diào)節(jié)蛋白質(zhì)降解、抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)易位和調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)間相互作用等功能，但我們還沒(méi)能完全了解 Nα-末端乙?；乃泄δ?。本文主要對(duì)Nα-末端乙?；?Nα-末端乙酰轉(zhuǎn)移酶的功能及其與病理聯(lián)系的研究進(jìn)展作一綜述。

1 Nα-末端乙?；墓δ?/h2>

1.1 調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的降解

Nα-末端乙?；c泛素介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解和 N-末端規(guī)則途徑有著密切的關(guān)聯(lián)［4］。早期的研究表明帶有游離 α氨基的蛋白質(zhì)能被 ATP依賴(lài)性的泛素介導(dǎo)而降解，當(dāng) N-末端的 α氨基被乙?；揎椇竽軌蚍乐狗核亟閷?dǎo)的蛋白質(zhì)降解。然而，近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，Nα-末端乙?；?N-末端規(guī)則途徑促進(jìn)的蛋白質(zhì)降解中起著重要作用。在真核生物中，Nα-末端降解決定子能夠介導(dǎo)蛋白質(zhì)泛素化和蛋白質(zhì)選擇性地被 26s蛋白酶體分解［5］。例如，保守高爾基體寡聚復(fù)合體亞基 Cog1的 Nα-末端乙?；髸?huì)發(fā)生降解［6］。

Nα-末端乙?；倪@兩個(gè)功能分支（促進(jìn)和抑制蛋白質(zhì)降解）看似相互矛盾，實(shí)際上兩者在細(xì)胞中可能是同時(shí)進(jìn)行的，但是在特定條件下每一分支分別應(yīng)用到特定的蛋白質(zhì)子集，同時(shí)細(xì)胞所處環(huán)境狀態(tài)對(duì) Nα-末端乙?；墓δ苡泻艽笥绊憽４送?，酵母蛋白質(zhì)組學(xué)研究表明，NatB介導(dǎo)的Nα-末端乙酰化不影響蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性，即 Nα-末端乙?；葲](méi)有穩(wěn)定蛋白質(zhì)的作用也沒(méi)有促進(jìn)蛋白質(zhì)降解的作用［7］。

1.2 調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)間的相互作用

Nα-末端乙?；梢灾苯诱{(diào)節(jié)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)-生物膜之間的相互作用。NatB催化原肌球蛋白 N末端乙?；?，可以增強(qiáng)原肌球蛋白二聚體頭尾之間的連接作用［8］。近年的研究表明，泛素結(jié)合酶 Ubc12的起始甲硫氨酸是被乙?；模阴；似?N-末端的一個(gè)正電荷，從而使Ubc12的 N-末端能與泛素連接酶 Dcn1的疏水口袋結(jié)合［9］。這是蛋白質(zhì)能夠識(shí)別蛋白質(zhì) Nα-末端乙?；氖讉€(gè)例子，與布羅莫結(jié)構(gòu)域（bromodomain）能特異性地結(jié)合組蛋白 N-末端乙?；陌被釟埢嗨疲?0］。晶體結(jié)構(gòu)分析顯示 Ubc12 N-末端的乙?；ㄟ^(guò)氫鍵直接與 Dcn1的疏水口袋相互作用［9］。此外，Nα-末端乙酰化還被證明能夠穩(wěn)定 α-突觸核蛋白的螺旋結(jié)構(gòu)，并且能增強(qiáng)其與細(xì)胞膜的親和力［11］。

1.3 抑制蛋白質(zhì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)易位

蛋白質(zhì)的靶向作用與 Nα-末端乙?；兄厥獾穆?lián)系。研究發(fā)現(xiàn) Nα-末端乙?；瘜?duì)蛋白質(zhì)在細(xì)胞質(zhì)中的停留是必不可少的，這是因?yàn)槟承┑鞍踪|(zhì) Nα-末端乙?；蟛辉僖孜坏絻?nèi)質(zhì)網(wǎng)［12］，表明 Nα-末端乙?；軌蛞种苾?nèi)質(zhì)網(wǎng)易位，而Nα-末端缺少乙?；牡鞍踪|(zhì)卻可以通過(guò)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)易位進(jìn)入分泌途徑。

分泌蛋白和膜蛋白穿過(guò) Sec61易位子通道進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔有兩個(gè)主要的機(jī)制：一個(gè)是依賴(lài)信號(hào)識(shí)別顆粒的共翻譯轉(zhuǎn)運(yùn)；另一個(gè)是依賴(lài) Sec62的翻譯后轉(zhuǎn)運(yùn)。蛋白質(zhì)進(jìn)入哪種途徑取決于 N-末端 15～30個(gè)氨基酸殘基長(zhǎng)度的導(dǎo)肽中心核的疏水性。Forte等［12］發(fā)現(xiàn)，所有依賴(lài) Sec62轉(zhuǎn)運(yùn)的蛋白質(zhì)乙?；髸?huì)留在胞漿中。Nα-末端乙?；牡鞍踪|(zhì)不能正確定位到 Sec61易位子，表明乙?；芸赡芷茐牧宿D(zhuǎn)位子自身的相互作用或者破壞了蛋白質(zhì)與起始靶因子（分子伴侶或者 Sec62復(fù)合體）的相互作用。盡管 Forte等明確表示，酵母蛋白為了實(shí)現(xiàn)翻譯后易位，它們需要處于非乙?；臓顟B(tài)，但我們?nèi)圆磺宄?，如果沒(méi)有 Nα-末端乙酰化修飾，是否任何原本發(fā)生乙?；陌麧{蛋白都能夠?qū)崿F(xiàn)易位？

1.4 調(diào)節(jié)蛋白酶體的定位

蛋白酶體是一個(gè)主要的細(xì)胞內(nèi)蛋白酶，并且能夠調(diào)控許多細(xì)胞活動(dòng)，其中包括細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)質(zhì)量控制。在細(xì)胞存活期間，蛋白質(zhì)質(zhì)量控制對(duì)防止受損傷的蛋白質(zhì)累積至關(guān)重要［13］。蛋白酶體位于細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中，蛋白酶體的亞基在細(xì)胞質(zhì)中組裝成前體復(fù)合物，然后前體復(fù)合物被運(yùn)輸進(jìn)入細(xì)胞核以便形成完整的復(fù)合物。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，蛋白酶體平均分布在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中。在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充足的條件下，釀酒酵母的蛋白酶體主要累積在細(xì)胞核中。當(dāng)酵母細(xì)胞處于饑餓的條件下，蛋白酶體從細(xì)胞核再定位到細(xì)胞質(zhì)［14］。在酵母細(xì)胞中，NatA、NatB和 NatC是酵母細(xì)胞主要的NATs，分別使大約 50%、20%和 20%的蛋白質(zhì) N-末端乙酰化。最新的研究表明，在饑餓條件下，釀酒酵母的 NatB 和 NatC介導(dǎo)的蛋白質(zhì) Nα-末端乙酰化能夠影響蛋白酶體的分布［15］。蛋白酶體從細(xì)胞核到細(xì)胞質(zhì)的再定位需要 NatB 和 NatC，敲除釀酒酵母的 NatB和 NatC能夠誘導(dǎo)蛋白酶體在饑餓條件下富集于細(xì)胞核中［15］。

2 Nα-末端乙酰轉(zhuǎn)移酶的功能

2.1 催化 Nα-末端乙?；?/p>

在真核生物中已發(fā)現(xiàn)存在 6種 NATs亞型（NatA～NatF），它們都具有催化蛋白質(zhì) Nα-末端乙?；纳飳W(xué)活性，表 1列出了人的 6種不同 NATs的亞基組成及各自的底物特異性。這里需要強(qiáng)調(diào)的是 NatD在兩方面不同于其他的 NATs。首先，在酵母和人細(xì)胞中只有兩種底物能被NatD催化乙酰化，即組蛋白 H2A和 H4［16］；其次，其他NATs亞型的底物特異性由位于底物 N-末端的前 2～5個(gè)氨基酸殘基所決定，而 NatD的底物特異性由底物 N-末端的前 30～50個(gè)氨基酸殘基所決定。表 2總結(jié)了不同NATs（NatA～NatE）缺失或突變后酵母和人細(xì)胞系所產(chǎn)生的功能異常，從中可看出 NATs對(duì)細(xì)胞的生存和生長(zhǎng)具有重要的作用。NatF是近幾年被發(fā)現(xiàn)的一種 NAT亞型，目前只在高等真核生物中發(fā)現(xiàn)有 NatF的存在。此外，NatF還可以催化 N-末端具有 Met-Lys-序列的底物發(fā)生 Nα-末端乙?；?，而此 N-末端在酵母中卻很少發(fā)生乙?；?9］，從而賦予人的 Nα-末端乙?；S度高于酵母。

表1 人 NATs的亞基組成和底物特異性

表2 NATs缺失或突變后酵母細(xì)胞和人細(xì)胞系的影響

2.2 其他生物學(xué)活性

NATs催化 Nα-末端乙?；纳飳W(xué)活性已經(jīng)得到了充分證明。而且有證據(jù)表明 NATs還具有催化賴(lài)氨酸乙?；淖饔茫琇im等和 Shin等已經(jīng)證明，人的 NatA能夠催化 β-連環(huán)蛋白和肌球蛋白輕鏈激酶的賴(lài)氨酸殘基乙酰化［20-21］。NatA也可催化 hNaa10p在 K136處進(jìn)行自乙?；?/p>

NATs不但具有催化活性，而且能夠不依賴(lài)其催化活性對(duì)細(xì)胞的活動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如，人類(lèi)的Naa10p（hNaa10p）與 p21活化激酶（PAK）結(jié)合后能夠影響 PAK與鳥(niǎo)苷轉(zhuǎn)換因子（PIX）的相互作用，從而抑制細(xì)胞遷移［22］。Lee等［23］提出 hNaa10p可以不依賴(lài)乙酰轉(zhuǎn)移酶的活性與 DNA甲基轉(zhuǎn)移酶 1（DNMT1）相互作用，從而促進(jìn)DNMT1與目標(biāo) DNA之間的作用，最終實(shí)現(xiàn) E-鈣黏蛋白轉(zhuǎn)錄沉默。

3 NATs和 Nα-末端乙酰化與病理的聯(lián)系

NATs和 Nα-末端乙?；诓±磉^(guò)程中起著重要的調(diào)節(jié)作用。人體缺失 NatA活性會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的發(fā)育缺陷，且在許多腫瘤中也會(huì)出現(xiàn) NatA失調(diào)的情況［24］。2011年，人們發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)由 NAT基因突變引起的人類(lèi)遺傳病——奧氏（Ogden）綜合征。它是一種致命的伴 X染色體紊亂疾病，臨床表現(xiàn)為顱面骨畸形、張力過(guò)低、發(fā)育遲緩和心律失常等。編碼 NatA催化亞基（hNaa10p）的基因突變是引起該病的主要原因。

一些研究發(fā)現(xiàn)，hNaa10同時(shí)扮演著雙重角色，既可作為癌蛋白起作用，又可抑制腫瘤。Naa10p在肺癌、結(jié)直腸癌和乳腺癌等不同類(lèi)型癌癥中過(guò)表達(dá)。幾項(xiàng)研究表明，hNaa10p可以作為癌蛋白起作用，例如當(dāng)癌細(xì)胞缺失hNaa10p后，能夠誘導(dǎo) p53依賴(lài)性的細(xì)胞凋亡［25］；在某些腫瘤中細(xì)胞周期蛋白 D1會(huì)出現(xiàn)突變、擴(kuò)增及過(guò)表達(dá)的現(xiàn)象，hNaa10p可誘導(dǎo)細(xì)胞周期蛋白 D1的轉(zhuǎn)錄使其表達(dá)異常，從而導(dǎo)致腫瘤［26］。同時(shí)，另一些研究表明，hNaa10p具有抑癌作用，Kuo等［27］已經(jīng)報(bào)道，當(dāng)乳腺癌細(xì)胞過(guò)表達(dá)Naa10p時(shí)細(xì)胞增長(zhǎng)減慢和致瘤性降低。除 NatA外，其他幾種 NATs亞型同樣可以從不同的方面調(diào)節(jié)細(xì)胞的生長(zhǎng)和凋亡。研究發(fā)現(xiàn) NatB在肝癌細(xì)胞中過(guò)表達(dá)，而 NatD在同種類(lèi)型的癌細(xì)胞中表達(dá)量卻降低［28］。

最新的研究發(fā)現(xiàn) Nα-末端乙酰化具有穩(wěn)定 α-突觸核蛋白，促進(jìn) Sup35淀粉樣蛋白的形成和防止亨廷頓蛋白（Htt）聚集的作用［29］。Nα-末端乙?；谏窠?jīng)系統(tǒng)變性疾?。ㄈ缗两鹕?、克雅病和亨廷頓?。┌l(fā)生發(fā)展中的作用有待進(jìn)一步研究。

4 展望

蛋白質(zhì)-末端乙?；鳛橐粋€(gè)多功能的調(diào)節(jié)劑，具有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)降解、抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)易位和調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)復(fù)合物形成等作用。此外，NATs和 Nα-末端乙?；谏砗筒±磉^(guò)程中也起著重要的調(diào)節(jié)作用，這將為某些疾病發(fā)病機(jī)制研究和治療開(kāi)辟新的途徑。到目前為止，在真核生物中已鑒定出了6種 NATs（NatA～NatF），是否還存在更多的 NATs仍然是一個(gè)有待研究的問(wèn)題。未來(lái)的研究方向應(yīng)側(cè)重于 Nα-末端乙?；陌l(fā)生機(jī)制，以及探究是否 Nα-末端乙酰化的功能具有像 Nα-末端乙酰化蛋白一樣的多樣性。

［1］ Hollebeke J，Van Damme P，Gevaert K.N-terminal acetylation and other functions of Nα-acetyltransferases.Biol Chem，2012，393（4）: 291-298.

［2］ Goetze S，Qeli E，Mosimann C，et al.Identification and functional characterization of N-terminally acetylated proteins in Drosophila melanogaster.PLoS Biol，2009，7（11）:e1000236.

［3］ Arnesen T.Toward a functional understanding of protein N-terminal acetylation.PLoS Biol，2011，9（5）:e1001074.

［4］ Hwang CS，Shemorry A，Varshavsky A.N-terminal acetylation of cellular proteins creates specific degradation signals.Science，2010，327（5968）:973-977.

［5］ Tasaki T，Sriram SM，Park KS，et al.The N-end rule pathway.Annu Rev Biochem，2012，81:261-289.

［6］ Shemorry A，Hwang CS，Varshavsky A.Control of protein quality and stoichiometries by N-terminal acetylation and the N-end rule pathway. Mol Cell，2013，50（4）:540-551.

［7］ Helbig AO，Rosati S，Pijnappel PW，et al.Perturbation of the yeast N-acetyltransferase NatB induces elevation of protein phosphorylation levels.BMC Genomics，2010，11:685.

［8］ Coulton AT，East DA，Galinska-Rakoczy A，et al.The recruitment of acetylated and unacetylated tropomyosin to distinct actin polymers permits the discrete regulation of specific myosins in fission yeast. J Cell Sci，2010，123（19）:3235-3243.

［9］ Scott DC，Monda JK，Bennett EJ，et al.N-terminal acetylation acts as an avidity enhancer within an interconnected multiprotein complex. Science，2011，334（6056）:674-678.

［10］Filippakopoulos P，Knapp S.The bromodomain interaction module. FEBS Lett，2012，586（17）:2692-2704.

［11］Holmes WM，Mannakee BK，Gutenkunst RN，et al.Loss of amino-terminalacetylation suppresses a prion phenotype by modulating global protein folding.Nat Commun，2014，5:4383.

［12］Forte GM，Pool MR，Stirling CJ.N-terminal acetylation inhibits protein targeting to the endoplasmic reticulum.PLoS Biol，2011，9（5）: e1001073.

［13］Amm I，Sommer T，Wolf DH.Protein quality control and elimination of protein waste:the role of the ubiquitin-proteasome system.Biochim BiophysActa，2014，1843（1）:182-196.

［14］Laporte D，Salin B，Daignan-Fornier B，et al.Reversible cytoplasmic localization of the proteasome in quiescent yeast cells.J Cell Biol，2008，181（5）:737-745.

［15］van Deventer S，Menendez-Benito V，van Leeuwen F，et al.N-terminal acetylation and replicative age affect proteasome localization and cell fitness during aging.J Cell Sci，2015，128（1）:109-117.

［16］Hole K，Van Damme P，Dalva M，et al.The human N-alphaacetyltransferase 40（hNaa40p/hNatD）is conserved from yeast and N-terminally acetylates histones H2A and H4.PLoS One，2011，6（9）:e24713.

［17］Yi CH，Pan H，Seebacher J，et al.Metabolic regulation of protein N-alpha-acetylation by Bcl-xL promotes cell survival.Cell，2011，146（4）:607-620.

［18］Starheim KK，Gromyko D，Evjenth R，et al.Knockdown of human N alpha-terminal acetyltransferase complex C leads to p53-dependent apoptosis and aberrant human Arl8b localization.Mol Cell Biol，2009，29（13）:3569-3581.

［19］Van Damme P，Hole K，Pimenta-Marques A，et al.NatF contributes to an evolutionary shift in protein N-terminal acetylation and is important for normal chromosome segregation.PLoS Genet，2011，7（7）:e1002169.

［20］Lim JH，Park JW，Chun YS.Human arrest defective 1 acetylates and activates beta-catenin，promoting lung cancer cell proliferation. Cancer Res，2006，66（22）:10677-10682.

［21］Shin DH，Chun YS，Lee KH，et al.Arrest defective-1 controls tumor cell behavior by acetylating myosin light chain kinase.PLoS ONE，2009，4（10）:e7451.

［22］Hua KT，Tan CT，Johansson G，et al.N-α-acetyltransferase 10 protein suppresses cancer cell metastasis by binding PIX proteins and inhibiting Cdc42/Rac1 activity.Cancer Cell，2011，19（2）:218-231.

［23］Lee CF，Ou DS，Lee SB，et al.hNaa10p contributes to tumorigenesis by facilitating DNMT1-mediated tumor suppressor gene silencing. J Clin Invest，2010，120（8）:2920-2930.

［24］Kalvik TV，Arnesen T.Protein N-terminal acetyltransferases in cancer. Oncogene，2013，32（3）:269-276.

［25］Gromyko D，Arnesen T，Ryningen A，et al.Depletion of the human Nα-terminal acetyltransferase A induces p53-dependent apoptosis and p53-independent growth inhibition.Int J Cancer，2010，127（12）:2777-2789.

［26］Lim JH，Chun YS，ParkJW.Hypoxia-induciblefactor-1alpha obstructs a Wnt signaling pathway by inhibiting the hARD1-mediated activation of beta-catenin.Cancer Res，2008，68（13）:5177-5184.

［27］Kuo HP，Lee DF，Chen CT，et al.ARD1 stabilization of TSC2 suppresses tumorigenesis through the mTOR signaling pathway.Sci Signal，2010，3（108）:ra9.

［28］Ametzazurra A，Larrea E，Civeira MP，et al.Implication of human N-alpha-acetyltransferase 5 in cellular proliferation and carcinogenesis.Oncogene，2008，27（58）:7296-7306.

［29］Dikiy I，Eliezer D.N-terminal acetylation stabilizes N-terminal helicity in lipid-and micelle-bound α-synuclein and increases its affinity for physiological membranes.J Biol Chem，2014，289（6）: 3652-3665.

10.3969/cmba.j.issn.1673-713X.2015.02.015

210009南京，中國(guó)藥科大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

陳建華，Email：chenjhnj@163.com

2015-02-09