蛋白質的脂醯化修飾(一)

2021-02-21 李老師談生化

蛋白質的脂醯化（acylation）是脂化修飾的一種，是脂肪酸以脂醯基的形式連接到肽鏈上。根據脂醯基受體的不同，又可進一步分為N-脂醯化、S-脂醯化和O脂醯化三種形式。

常見的蛋白質脂醯化形式。Prog Lipid Res. 2016 Jul; 63: 120–131.

N-脂醯化是脂肪酸與肽鏈末端氨基或賴氨酸側鏈氨基形成醯胺鍵。其中最常見的是N端甘氨酸的豆蔻醯化（N-Myristoylation），由N-豆蔻醯基轉移酶（N-myristoyltransferase，NMT，EC 2.3.1.97）催化。

哺乳動物細胞中至少有150多種蛋白質的N-末端甘氨酸被豆蔻酸（14:0）醯化。這些蛋白質通常包含N末端共有序列：Met-Gly-XXX-Ser / Thr。因為NMT只接受N-端甘氨酸作為醯基受體，所以先由甲硫氨酸氨肽酶除去甲硫氨酸，將Gly暴露為N末端胺基酸。

NMT的醯基供體是豆蔻醯輔酶A，動力學為有序機制。豆蔻醯輔酶A先與酶結合，將烴鏈插入酶的疏水口袋，導致形成肽鏈結合位點，從而形成三元複合物。然後將醯基轉移到甘氨酸上，依次釋放輔酶A和醯化產物。

NMT的催化機制。Acta Pharmacol Sin. 2020 Aug; 41(8): 1005–1015.

大多數的N-豆蔻醯化是共翻譯修飾。但在凋亡過程中，Caspase介導的Asp-Gly之間的裂解會產生N末端甘氨酸。如果後面的序列符合豆蔻醯化共有序列內，就可以發生翻譯後的N-豆蔻醯化。這種蛋白有40多個，包括PAK2、肌動蛋白、BID等。其中某些產物可以靶向線粒體，調控細胞凋亡。

甘氨酸是唯一可以作為NMT底物的殘基，所以實驗室中通常使用Gly-Ala（G2A）突變產生非豆蔻醯化的蛋白突變體。已經有人開發出預測N-豆蔻醯化的算法，一些網站提供N-豆蔻醯化和S-棕櫚醯化的在線預測程序。

蛋白質脂醯化預測程序。Prog Lipid Res. 2016 Jul; 63: 120–131.

大多數N-肉豆蔻醯化的蛋白是膜結合的。豆蔻醯基可以提供約8千卡/摩爾的能量，但不足以將豆蔻醯化蛋白穩定地錨定在脂雙層上。所以豆蔻醯化的蛋白質還需要第二種信號，如蛋白上的疏水區、鹼性區或另一種脂修飾等。

一些N-豆蔻醯化蛋白，如c-Src、MARCKS、組蛋白等，包含一個與豆蔻醯基協同作用的強鹼性區域，可以與帶負電荷的膜磷脂發生靜電相互作用，從而提供第二種膜親和力。

甘氨酸的豆蔻醯化是不可逆的，目前尚未發現去豆蔻醯化酶。但是，志賀氏菌表達一種半胱氨酸蛋白酶IpaJ，可以從宿主蛋白的N-末端切除豆蔻醯甘氨酸。志賀氏菌感染細胞後可以結合併破壞高爾基體的ARF蛋白，從而破壞宿主的高爾基體結構，影響其分泌途徑。

更普遍的N-豆蔻醯化蛋白調控機制是豆蔻醯開關，即通過將豆蔻醯基暴露在蛋白表面或掩埋於內部疏水口袋，來控制蛋白質的膜結合狀態。控制豆蔻醯基轉換的方式有多種，如配體開關（通過Ca離子、GTP等配體的結合觸發轉換）、靜電開關（通過蛋白激酶C的磷酸化降低鹼性區的正電荷）、熵開關（通過多聚體的形成或解聚驅動豆蔻醯基翻轉，如HIV-1 Gag的MA域）等。

豆蔻醯開關的機制和功能。Acta Pharmacol Sin. 2020 Aug; 41(8): 1005–1015.

N-豆蔻醯化修飾賦予蛋白靈活可變的膜結合能力，用於調控某些細胞過程。例如，N-豆蔻醯化的Akt1傾向於在富含膽固醇的細胞膜區域積聚，並積極刺激下遊信號傳導。

酵母蛋白酶體Rpt2亞基的N-豆蔻醯化有助於蛋白酶體進入細胞核，降解其中的錯誤摺疊蛋白。在Rpt2-G2A和Rpt-G2Δ（Δ表示缺失）細胞中，缺乏豆蔻醯化的蛋白酶體無法充分轉運到細胞核，導致細胞核中錯誤摺疊蛋白積累。

Gag是HIV病毒衣殼結構的前體蛋白，可被宿主NMT豆蔻醯化，這個修飾對HIV的組裝至關重要。Gag之間的聚合可以觸發熵開關，使豆蔻醯基向暴露構象轉換，從而為蛋白質組裝提供動力。

熵開關與蛋白質組裝。Acta Pharmacol Sin. 2020 Aug; 41(8): 1005–1015.

除甘氨酸的氨基以外，賴氨酸的側鏈氨基也可以被脂醯化修飾。白介素1α、TNF-α以及組蛋白均有賴氨酸殘基可以發生豆蔻醯化。

催化賴氨酸醯化的酶尚未確定，但已經發現了去除賴氨酸上脂肪醯基的酶家族。Sirtuins最初被表徵為NAD依賴性脫乙醯基酶家族，但Lin和同事證明Sirt2和Sirt6具有脫醯基酶活性，並優先從含有醯化賴氨酸的組蛋白中水解豆蔻醯基和棕櫚醯基。

總之，蛋白質的N-豆蔻醯化參與多種細胞事件，與多種生理病理過程相關。NMT抑制劑非常適合用於對抗由細胞或病原體增殖引起的疾病，如惡性腫瘤和傳染病。所以NMT抑制劑可以作為抗真菌劑和抗病毒劑，在免疫缺陷和腫瘤治療方面也有廣闊前景。

參考文獻：

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