STTT综述 | 蛋白翻译后修饰在自噬调节机制及治疗靶点中的研究

景杰生物 | 报道

2016年大隅良典因阐明了细胞自噬的分子机制和生理功能荣获诺贝尔生理学或医学奖，细胞自噬随之得到了科研工作者的广泛关注，逐渐成为生命科学基础研究领域的一大热点。细胞自噬，即“吃掉自己”，是一种高度保守的代谢途径，依赖于溶酶体进行。自噬可以清除受损细胞的细胞器、蛋白聚集体及胞内病原体，在保护机体免受疾病的侵害方面起着重要作用。自噬相关调控因子和组分会受到表观遗传和翻译后修饰调控，导致自噬激活或抑制，调控失常往往引起自噬相关疾病的发生发展，是目前的领域研究热点。

蛋白质翻译后修饰是指蛋白质在翻译完成后经过化学修饰的过程，其中包括磷酸化、乙酰化、泛素化、糖基化、甲基化以及各种新型酰化修饰等。研究表明，蛋白质翻译后修饰可以调控自噬的多个关键步骤，且多种蛋白质的翻译后修饰参与到生物体的自噬调控。因此，蛋白质翻译后修饰对于自噬的调控至关重要，揭示二者之间的关系有助于更深入地理解自噬的机制，为相关疾病的治疗提供新的思路和靶点。

近日，中山大学附属第五医院江冠民教授团队在Signal Transduction and Targeted Therapy期刊（IF=39.3）上发表题为: “Epigenetic and post-translational modifications in autophagy: biological functions and therapeutic targets”的综述文章，文章聚焦于翻译后修饰对自噬的调控机制，深入介绍了磷酸化、乙酰化、甲基化、泛素化等蛋白质翻译后修饰在自噬相关生理病理进程中的功能多样性及其发生机制，揭示了其对疾病的治疗潜力，探讨了自噬对表观遗传药物疗效的影响，并提出了自噬激活/抑制剂与表观遗传药物的联用策略。

近年来，自噬失调与多种人类疾病之间的关系已经被广泛研究。大量体外实验研究证实了一系列自噬相关基因与包括肿瘤、炎症性疾病、神经退行性疾病以及心血管疾病在内的许多疾病密切相关，具体机制亟待阐明。在诸多热门的入手点中，自噬的翻译后修饰研究首当其冲。其中蛋白质翻译后修饰广泛存在于组蛋白与非组蛋白如自噬相关成分、转录因子（TF）和上游效应蛋白中，对自噬的激活和抑制起到重要的调控作用。

图1 自噬失调和肿瘤、炎性疾病、神经退行性疾病以及心血管疾病

1、磷酸化与自噬调控：

磷酸化是最普遍存在的PTMs之一，由一系列蛋白激酶和蛋白磷酸酶家族拮抗调控。蛋白磷酸化是信号转导的一个基本步骤。一系列自噬相关组分包括ULK1、p62、ATG14、ATG5、OPTN、ATG4B等蛋白的磷酸化对自噬调控相当重要，影响神经炎症性疾病、神经胶质瘤、脑瘤、胰腺癌以及亨廷顿病等多种疾病相关的生物学过程。

图2 磷酸化与自噬调控

2、甲基化与自噬调控

组蛋白甲基转移酶与去甲基化酶通过调控组蛋白甲基化对自噬的激活与抑制影响显著。组蛋白甲基转移酶包括组蛋白赖氨酸甲基转移酶1 (G9a/EHMT2) 、精氨酸甲基转移酶（CARM1）、EZH2以及DOT1L。EHMT2在胶质瘤、胃癌和肺癌等多种癌症中经常过表达，其过表达与自噬抑制显著相关；CARM1是AMPK-SKP2-CARM1信号轴的组成部分，与包括肝细胞癌和脊髓损伤在内的多种疾病有病理关联；EZH2作为Polycomb蛋白复合物的催化亚基，通过mTOR激活抑制自噬，抑制EZH2可以使肿瘤细胞发生自噬；DOT1L保护MLL蛋白免受自噬降解，因此在混合谱系白血病(MLL)的维持发展中不可或缺。去甲基化酶包括JMJD2B、和KDM1A，与结直肠癌、去势抵抗性前列腺癌、血管疾病和炎症等疾病有关。

3、乙酰化与自噬调控

组蛋白乙酰转移酶(HATs)和组蛋白去乙酰化酶(HDACs)是动态调控组蛋白和非组蛋白乙酰化的重要表观遗传酶。转录沉默或激活通常与组蛋白上的修饰状态和位点有关。组蛋白去乙酰化酶（HDACs）抑制或过表达可调控自噬通路相关基因的表达，促进自噬介导的肿瘤进展和组织损伤。在去势抵抗性前列腺癌细胞中，转录调节因子KLF5和HDAC3结合Beclin1基因启动子，抑制其转录，导致自噬抑制。MYC作为一种经典的肿瘤诱导剂在许多癌症中经常过度表达和基因突变，HDACs与MYC偶联可以在表观遗传上负性调控自噬和溶酶体功能。HDACs还与糖尿病视网膜病变以及糖尿病肾纤维化等疾病相关。自噬相关蛋白的乙酰化与自噬调控密切相关，并在肿瘤、急性肾损伤、脊髓损伤和血管疾病等疾病中扮演重要角色。例如，自噬/溶酶体-核信号通路的中枢调控因子TFEB在多个位点的乙酰化可显著激活与自噬和溶酶体相关的靶基因的表达，并诱导细胞死亡；p53在K120和K386位点的乙酰化可作为死亡信号促进p53的细胞积累，引起自噬。

图3 乙酰化与自噬调控

4、泛素化与自噬调控：

泛素化是由一系列泛素连接酶和去泛素化酶催化的、泛素结合和去除的可逆酶促过程。单泛素化或多泛素化、K48或K63连接泛素化以及自噬相关成分上的各种修饰残基决定了自噬激活/抑制。在ULK1、Beclin1、VPS34、LC3B、OPTN和p62蛋白上发生的泛素化与自噬调控关系密切，相关疾病有肺癌、前列腺癌、慢性髓系白血病以及糖尿病并发症等。例如，颗粒钙蛋白（GCA）触发泛素连接酶（TRAF6）活性诱导K63连接的ULK1泛素化，USP1对ULK1进行去泛素化。自噬发生时，ULK1的自磷酸化有利于其募集到KLHL20进行泛素化和蛋白水解，从而抑制了自噬的幅度和持续时间。

图4 泛素化与自噬调控

目前表观遗传药物已经成为肿瘤、心血管和感染性疾病治疗中的重要研究方向，一些表观遗传药物具备强大的治疗效果并获得了FDA认证。然而表观遗传药物在疾病治疗中的应用仍然有限，靶向特异性差、依赖于特定疾病类型是该类药物的短板。且自噬在肿瘤治疗中具有双重效应，影响了表观遗传药物的治疗效果，是一把“双刃剑”，既可以作为增强治疗反应的协同机制，也可以作为拮抗机制，诱导药物产生耐药性，削弱药效。同时，表观遗传修饰对于自噬通路的调控是精密且丰富的，影响了自噬发生发展的方方面面。

以上均提示，将自噬激活/抑制剂与表观遗传药物的联用手段将成为临床疾病治疗的关键研究方向，也对进一步研究自噬中的表观遗传修饰调节机制提出更高的要求。现有研究中，新型的表观遗传修饰对于自噬影响的研究还较为缺乏，尤其如近几年研究火热的乳酸化、琥珀酰化、巴豆酰化等与代谢关系密切的蛋白质新型酰化修饰，对于自噬的调控将非常有可能将能量代谢与自噬调控联系起来，帮助我们更深入地理解和利用自噬这一“程序”，以期帮助疾病的有效治疗手段的发现。

自噬作为一个重要的代谢过程，在国家自然科学基金项目中备受关注。而以乳酸化修饰为代表的新型酰化修饰在国自然项目中涉及的研究领域也非常广泛，先前研究发现，乳酸化修饰调节细胞自噬进而在维持骨骼肌稳态和肿瘤发展中发挥作用，描述了一种新的自噬调节机制（点击链接详细阅读：Sci Adv | 华东理工大学团队报道Vps34乳酸化修饰调控细胞自噬）。乳酸化修饰了促进细胞自噬和内体-溶酶体降解途径，是链接糖酵解和自噬的桥梁（点击链接详细阅读：“噬”说新语 | Autophagy二连发，乳酸化修饰桥联细胞自噬与肿瘤代谢）。除此之外，这两个热点的碰撞还能迸发出怎样的火花？在其他的疾病领域中，乳酸化修饰究竟如何调控细胞自噬从而发挥生物学功能？这一切都有待我们进一步的探索，总之，两个热点的强强联合，必将大有可为！

参考文献

Feng Shu, et al. 2023. Epigenetic and post-translational modifications in autophagy: biological functions and therapeutic targets. Signal Transduct Target Ther.