赖氨酸乙酰化修饰对代谢的调控(3)

　　肝脏中的糖酵解、糖异生、糖原合成等代谢通路上绝大多数代谢酶均被鉴定出乙酰化修饰的存在。例如，糖原磷酸化酶（glycogen  phosphorylase,  GP）催化糖原分解代谢过程中的限速步骤，在维持细胞和机体葡萄糖平衡过程中发挥着关键作用。研究发现，K470的乙酰化修饰可以直接抑制GP酶活。有意思的是，  K470乙酰化也同时可以增强GP与蛋白磷酸酶1（protein  phosphatase  1,  PP1）靶 向 蛋 白（proteinphosphatase  1  regulatory  subunit,  GL）结合，从而介导PP1依赖的GP去磷酸化过程。乙酰化通过这种与磷酸化修饰的交互作用（cross-talk），响应体内的胰岛素和胰高血糖素的刺激对糖原的降解过程进行调节[43].与此同时，糖异生过程的关键酶磷酸烯醇丙酮酸羧激酶（phosphoenolpyruvate  carboxykinase  1,  PEPCK1）也受到乙酰化的调控。高糖状态下，  PEPCK1的乙酰化水平增加，从而导致其与泛素连接酶UBR5的结合增强，从而促进PEPCK1的泛素化降解过程。乙酰化酶P300和去乙酰化酶SIRT2在不同糖浓度的状态下通过调节PEPCK1的活性维持细胞内葡萄糖水平的相对恒定。另外，乙酰化也在转录水平对代谢过程进行调控。在饥饿状态下， SIRT1可以通过对PGC-1a的调控诱导糖异生基因（如葡萄糖激酶基因和丙酮酸激酶基因）的表达和肝内葡萄糖外运[44].
　　
　　胰腺则会感应体内葡萄糖浓度的变化通过调节胰岛素的释放维持葡萄糖的稳态。动物模型中的研究发现，去乙酰化酶抑制剂可以通过调控胰岛b细胞的 分 化 和 增 殖 过 程 增 强 其 功 能。在 白 介 素- 1 b（interleukin-1,  IL-1b）诱导的胰岛b细胞功能失调过程中，去乙酰化酶抑制剂可以降低诱导型一氧化氮合酶（inducible  nitric  oxide  synthase,  i NOS）的表达并减少NO的释放，从而抑制NF-kB的激活过程[45].在大鼠（Rattus  norvegicus）胰岛b细胞中过表达SIRT1则可以保护b细胞[46].过表达SIRT1的转基因小鼠对胰岛素的敏感度没有显着变化，但由于其合成肝糖的能力下降，故而体现出增强的葡萄糖耐受性[47].
　　
　　4.5乙酰化对脂代谢的调控与肥胖的发生密切相关
　　
　　肥胖产生过程中，脂肪组织通过脂肪细胞的肥大和增生以储存过量的脂肪。过量的甘油三酯会导致脂肪细胞肥大；而具有增殖能力的脂肪前体细胞在能量存储需求增加时会导致脂肪细胞的数量增加。这种前脂肪细胞的增殖和分化过程即被称为脂肪形成（lipogenesis）[48].去乙酰化酶也参与到脂肪形成的调控过程：一些去乙酰化酶的抑制剂（如丙戊酸等），会通过抑制一系列转录因子，如PPARg（peroxisomeproliferator-activated  receptor  gamma），  SREBP（sterol-regulatory  element  binding  protein）和C/EBP（CCAAT/enhancer  binding  protein）等，进而抑制前脂肪细胞的脂肪形成过程[49,50].而另一些去乙酰化酶抑制剂（如丁酸钠）则会诱导小鼠前脂肪细胞3T3L1的分化[51].这些结果表明不同的HDAC去乙酰化酶对脂肪细胞的分化具有各异的调控作用。
　　
　　在体外培养的3T3L1中的研究发现， Sirt1可以通过抑制Pparg促进白色脂肪细胞中脂动员的过程。在已经分化的脂肪细胞中，  Sirt1的上调则会促进脂降解，从而导致脂肪减少[52].与此同时，  Sirt2也通过对Forkhead转录因子（forkhead box O1, Foxo1）的动态调控影响脂肪形成过程中的多个关键代谢基因（如Glut4和Fasn等）的表达，影响脂肪细胞分化过程[53].通过去乙酰化Foxo1, Sirt1可以提高脂肪组织中甘油三酯脂肪酶的表达，促进脂分解。小鼠模型中的研究发现，  Sirt1的表达量在肥胖小鼠中明显下降，全身过表达Sirt1的小鼠则表现出活跃的代谢水平和较瘦的体 型。与此同 时，  SIRT2也对 脑神经 回路（neuralcircuits）中的脂代谢进行调控，抑制SIRT2会导致神经元中胆固醇合成代谢相关基因表达的下调[54].
　　
　　除了调节脂代谢相关基因表达外，乙酰化修饰也会直接影响脂代谢途径中的多个代谢酶从而实现对脂类合成及分解的调控。肿瘤细胞中的研究已经表明SIRT2可以通过调控ACLY的乙酰化促进脂肪酸从头合成前体乙酰辅酶A的产生。而SIRT1和SIRT3也可以分别去乙酰化并激活位于胞浆和线粒体中的同工酶乙酰辅酶A合成酶（acetyl  coenzyme  Asynthetase  1,2,  Ace CS1,2）。  SIRT1可以去乙酰化并激活Ace CS1,调节乙酸依赖的脂肪酸合成[55].
　　
　　研究Sirt3敲除小鼠发现，脂肪肝的发生与Sirt3活性降低和线粒体蛋白的高乙酰化水平密切相关[56].在饥饿状态下，  Sirt3敲除小鼠肝脏中ATP水平明显下降，而脂肪酸氧化的中间产物和甘油三酯水平显着提升，说明Sirt3缺失会导致脂肪酸氧化水平降低。进一步的蛋白质谱研究发现，长链脂酰Co A脱氢酶（very  long  chain  acyl-co A  dehydrogenase,  Lcad）在Sirt3缺失状态下其K42乙酰化水平明显增加。  Sirt3可以去乙酰化Lcad并激活其催化活性[57].代谢组学的证据也表明Sirt3敲除小鼠的b氧化过程发生异常[58].进一步的研究发现，饥饿状态下肝脏和棕色脂肪组织中Sirt3的表达明显增强，从而去乙酰化Lcad,增强其催化活性。
　　
　　5乙酰化修饰为潜在的代谢相关疾病的药物靶点
　　
　　通过改变去乙酰化酶的活力可以影响其底物（如代谢酶）的乙酰化水平，从而影响细胞内特定的代谢途径，这也为代谢相关疾病的药物开发提供了一种新思路。到目前为止，一些广谱的HDAC家族去乙酰化酶抑制剂已在临床上得到应用[59].与此同时，  SIRT家族去乙酰化酶的激活剂也得到了广泛的关注。例如，来源于葡萄酒的白藜芦醇（resveratrol）可以激活SIRT蛋白的活性，并且减轻心血管疾病患者的症状[60],对Ⅱ型糖尿病也有一定疗效[61].由于SIRT蛋白与卡路里限制介导的长寿密切相关，通过SIRT蛋白的激活剂实现对细胞内的代谢流的调整也被认为具有广阔的开发前景。
　　
　　6结语
　　
　　近年来的研究揭示了乙酰化修饰在代谢调控中的重要性，乙酰化也通过多种复杂而精细的机制影响代谢活动（图2）。借力于质谱技术发展，人们已经积累了海量的乙酰化质谱学数据，然而乙酰化酶和去乙酰化酶如何对细胞内如此多的代谢酶的乙酰化状态进行协同调节以适应细胞的代谢需求仍不清楚[8].
　　
　　另外，代谢活动具有一定的组织和细胞特异性，个体发育和细胞分化的不同阶段的代谢需求也各不相同，乙酰化是否参与特定发育分化阶段、特定的组织类型中的代谢调控过程仍需要进一步的研究。此外，人们已经认识到乙酰化修饰并不是孤立的调控机制，它可以与其他多种翻译后修饰类型如磷酸化、泛素化等产生交互作用[62];乙酰化修饰对不同亚细胞定位的同工酶（如Ace CS1和Ace CS2）也具有类似的调控机制[63].乙酰化修饰如何动态调节不同细胞和组织的代谢状态，并与特异的信号途径产生交汇，以响应外界环境的改变仍知之甚少。对乙酰化酶和去乙酰化酶功能及调控的进一步理解也将有助于揭示乙酰化如何整合细胞内不同代谢流并协调整个代谢网络以满足细胞的代谢需求。
　　
　　与此同时，代谢相关疾病具有很强的个体差异[64,65],不同代谢酶乙酰化状态的生理病理变化及其在不同疾病发生发展过程中的重要性仍需深入研究，这样不仅有助于疾病的检测和诊断，而且为进一步的组织特异性和代谢途径特异性药物的开发提供思路。
　　
　　参考文献：
　　
　　1  Mann M, Jensen O N. Proteomic analysis of post-translational modifications. Nat Biotechnol, 2003, 21: 255–61
　　2  Zhao S, Xu W, Jiang W, et al. Regulation of cellular metabolism by protein lysine acetylation. Science, 2010, 327: 1000–1004
　　3  Choudhary  C,  Kumar  C,  Gnad  F,  et  al.  Lysine  acetylation  targets  protein  complexes  and  co-regulates  major  cellular  functions.  Science,2009, 325: 834–840
　　4  Allfrey V G, Faulkner R, Mirsky A E. Acetylation and methylation of histones and their possible role in the regulation of RNA synthesis.Proc Natl Acad Sci USA, 1964, 51:786–794
　　5  L'Hernault S W, Rosenbaum J L. Chlamydomonas alpha-tubulin is posttranslationally modified by acetylation on the epsilon-amino groupof a lysine. Biochemistry, 1985, 24: 473–478
　　6  Gu  W,  Roeder  R  G.  Activation  of  p53  sequence-specific  DNA  binding  by  acetylation  of  the  p53  C-terminal  domain.  Cell,  1997,  90:595–606
　　7  Ott M, Schnolzer M, Garnica J, et al. Acetylation of the HIV-1 Tat protein by p300 is important for its transcriptional activity. Curr Biol,1999, 9: 1489–1492
　　8  Choudhary C, Weinert B T, Nishida Y, et al. The growing landscape of lysine acetylation links metabolism and cell signalling. Nat Rev MolCell Biol, 2014, 15: 536–550
　　9  Michan S, Sinclair D. Sirtuins in mammals: insights into their biological function. Biochem J, 2007, 404: 1–13