蛋白質的甲基化修飾

蛋白質的甲基化（methylation）是指將甲基酶促轉移到蛋白質的某個殘基上，通常是賴氨酸或精氨酸，也包括組氨酸、半胱氨酸和天冬醯胺等。蛋白質的甲基化是一種普遍的修飾，在大鼠肝細胞核的總蛋白提取物中，大約2％的精氨酸殘基是二甲基化的。

蛋白質甲基化經常與乙醯化並列，因為它們都是常見的表觀遺傳修飾，經常發生在組蛋白上。不過從化學反應的角度來看，乙醯化可以算作一種短鏈脂醯化修飾，這裡主要討論甲基化方面的問題。

蛋白質的甲基化供體是S-腺苷甲硫氨酸（SAM），受體通常是賴氨酸的ε-氨基和精氨酸的胍基。另外在組氨酸的咪唑基、穀氨醯胺和天冬醯胺的醯胺基、半胱氨酸的巰基、半胱氨酸的羧基、穀氨酸和天冬氨酸的側鏈羧基都可以發生甲基化反應。

半胱氨酸羧基甲基化的例子我們在講蛋白質異戊二烯化的時候提到過，一些具有CAAX序列的蛋白質添加異戊二烯基之後，會將AAX切除，然後半胱氨酸的羧酸被甲基化，形成甲酯。

精氨酸和賴氨酸的甲基化。Mol Endocrinol. 2009 Sep; 23(9): 1323–1334.

賴氨酸殘基可以發生單、雙或三甲基化修飾。精氨酸可以單甲基化或二甲基化，後者可以是不對稱的（兩個甲基都連接到在精氨酸側鏈末端的同一個N原子上）或對稱的（兩個末端N原子上各有一個甲基），具體取決於甲基轉移酶。人類表達27種賴氨酸甲基轉移酶（KMT）和9種蛋白質精氨酸甲基轉移酶（PRMT）。

賴氨酸甲基化最初被認為是永久性共價標記，但後來發現賴氨酸甲基化可以是瞬時的，可以通過脫甲基反應來動態調節。許多酶催化賴氨酸脫甲基反應，其中最大的一類是含有Jumonji C（JmjC）域的脫甲基酶，是2-氧戊二酸和Fe2+依賴性雙加氧酶。

作為經典的表觀遺傳修飾，核小體中組蛋白的甲基化是染色質結構和基因轉錄活性的重要調節劑。在組蛋白H3和H4上至少存在五個可以被甲基化的精氨酸殘基（H3R2，H3R8，H3R17，H3R26和H4R3）和六個賴氨酸殘基（H3K4，H3K9，H3K27，H3K36，H3K79和H4K20）。不同位點的甲基化可能對轉錄產生正反不同的作用。

除組蛋白外，很多種蛋白都能發生甲基化。蛋白質甲基化可能影響蛋白質-蛋白質相互作用，蛋白質-DNA或蛋白質-RNA相互作用，蛋白質穩定性，亞細胞定位或酶活性。許多轉錄因子的甲基化修飾可以影響基因表達。

酵母核糖體蛋白表面和內部的甲基化位點。Trends Biochem Sci. 2013 May; 38(5): 243–252.

與乙醯化和磷酸化不同，甲基化不會影響殘基的總電荷。但甲基的存在仍然會影響其性質。一個典型的例子是精氨酸甲基化影響相分離過程。

精氨酸側鏈的正電荷可以與芳香環上的π電子相互吸引，屬於陽離子-π相互作用的一種。這種作用力在蛋白質摺疊、蛋白質與其它分子相互作用時經常發揮重要作用，比如參與液-液相分離（LLPS）過程。

精氨酸甲基化減弱陽離子-π相互作用。J Biol Chem. 2019 May 3; 294(18): 7137-7150.

生物大分子通過相分離形成凝聚物（condensate），也稱為液滴（droplet）或無膜細胞器（membrane-less organelles，MLO）。這種凝聚物是亞穩態的，可以硬化成粘性液體、凝膠（gel）、甚至是固體的澱粉樣物質（amyloid）。這一過程可以與多種生理病理現象相關，如染色質高級結構、基因表達、核糖體形成、DNA損傷應答以及神經退行性疾病等。

FUS（fused in sarcoma）是一個多功能的DNA/RNA結合蛋白，在RNA的轉錄、剪接、轉運、翻譯等過程中發揮重要作用。但其功能異常會導致多種神經退行性疾病，稱為FUS蛋白病，包括FUS相關的額顳葉腦退行性病變/痴呆（frontotemporal lobar degeneration/dementia, FTLD-FUS）、非肌萎縮側索硬化症（Amyotrophic Lateral Sclerosis, ALS-FUS）等。

FUS的低複雜度（LC）結構中可以形成反平行β-片層結構，這種結構能夠穩定其液滴和凝膠狀態，從而促進某些相分離過程，如核糖核蛋白（RNP）顆粒的形成。此過程中，精氨酸與酪氨酸之間的陽離子-π相互作用是關鍵驅動力。研究表明，精氨酸的甲基化會削弱這一作用，從而降低LLPS。

精氨酸甲基化影響FUS相分離。Cell. 2018 Apr 19; 173(3): 720–734.e15.

RNP顆粒參與調節亞細胞部位（如軸突末端和樹突）中的局部RNA和蛋白質代謝。這個過程如果出現問題可能引發疾病，如ALS和FTLD等。目前已經發現，甲基化被抑制時會形成低甲基化的FUS（HYPO-FUS），使LLPS增強，形成大量液滴和富含β-摺疊的水凝膠，促進澱粉樣蛋白沉積，最終導致神經退行性疾病。

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