精氨酰蛋白转移酶及其相关疾病的研究进展

余 爽，王 校，孟亚慧，王 翔

(安徽中医药大学护理学院，安徽 合肥 230012)

细胞内蛋白质从合成到降解，其寿命差异较大，该差异由蛋白质的 N 端氨基酸残基决定，被称为“N 端规则(N-end rule)”途径，该途径是一种蛋白水解系统。N末端残基(也被称为 N-degron)为蛋白质的水解信号，可以通过翻译后修饰(Post-translational modification，PTM)产生，使细胞增加及蛋白质组多样化，并通过 N-识别将其泛素化以降解，从而对细胞过程进行精细调控[1-2]。在各种类型的 PTM 中，精氨酰化是一种新兴的翻译后修饰，为研究较少的蛋白质修饰之一，在多种生理进程中起着关键的作用[3]。

精氨酰化是一种由ATE1催化的蛋白质翻译后修饰，为真核生物中，产生N-degrons 的关键步骤，可将蛋白质的泛素依赖性降解与其 N 端氨基酸侧链的联系起来。研究发现[4]由 ATE1 介导的精氨酰化是哺乳动物胚胎发生、细胞迁移和蛋白质调节必不可少的关键调节过程，为真核细胞稳态的重要调节剂。因此，ATE1 介导的精氨酰化现已成为在生物学和医学中起关键作用的主要反应，使得该酶成为重要的治疗靶标。本文就 ATE1 的结构功能及其与疾病的相关性等方面作一综述。

ATE1是一种进化上保守的，不依赖 ATP 的自我调节酶，可在体内形成不同的功能复合物，于1963年被首次发现，主要定位于细胞质与细胞核，在真核生物中至少由一个Ate1基因编码[5]。虽然目前不存在相关的结构，但ATE1与其原核对应物L/F转移酶以及FemABX酶具有一定的结构同源性。其中上述两种酶主要由 N-乙酰转移酶(GNAT)折叠的三级结构原件组成，该原件常包含一个混合极性的六链β-折叠，及周围环绕着四个混合方向的α-螺旋 GNAT 折叠[6]。尽管序列进化完全不同，但推测 ATE1 同样具有GNAT折叠[7]。在哺乳动物中，ATE1有四种同源亚型 ATE1-1、ATE1-2、ATE1-3和ATE1-4，它们由单个基因的选择性剪接产生，其中同工型的差异是由于存在外显子1A或外显子1B，以及外显子7A、外显子7B 或两者。其中ATE1-1(ATE11B7A)可在除脾脏和肌肉之外的几乎所有组织中显著表达；
ATE1-2(ATE11B7B)可在大脑、肝脏和睾丸中显著表达；
ATE1-3(ATE11A7A)在肌肉组织中表达较为突出；
ATE1-4(ATE11A7B)可在肾脏、睾丸和肌肉中显著表达。根据靶向Asp-β-gal进行降解的能力，ATE1-3具有最高水平的精氨酰化活性[8]。由ATE1介导的蛋白质精氨酰化不仅可将精氨酸(Arg)从氨酰基-tRAN 转移到N末端的天冬氨酸、谷氨酸(Glu) 或半胱氨酸(Asp)上来修饰蛋白质，而且还可以催化多肽内部侧链羧酸盐(Asp和Glu残基)[9]。经过修饰后Arg侧链上存在明显的正电荷，可以改变蛋白质的表面特性，产生如蛋白质的去稳定化、降解蛋白质活性、调节蛋白质相互作用等多种生物调节功能，进而参与众多关键的生物途径如细胞再生、细胞分化、应激、骨骼肌蛋白降解等[3]。

2.1 ATE1与心血管疾病在胚胎发育过程中，ATE1基因的敲除可导致肌层发育缺陷、心肌完整性和心肌细胞收缩力受损，提示ATE1对于胚胎心脏的发育、成熟和血管完整性至关重要[10]。研究发现[11]α心脏肌动蛋白在发育过程中有四个位点经历了精氨酰化，对野生型和ATE1基因敲除小鼠心脏中的肌原纤维的超微结构分析表明，ATE1的缺失会导致心肌肌原纤维结构的缺陷，从而延缓其发展并影响整个心脏中肌原纤维的连续性，引起心脏收缩性缺陷，导致扩张性心肌病的发生，虽然ATE1特异性敲除的小鼠最终因心肌收缩性缺陷而死亡，但其生存期却为6～12个月，这一结果表明ATE1具有细胞自主功能，并通过调节肌原纤维蛋白来维持心脏功能。进一步研究表明[12]在敲除小鼠胚胎中的ATE1基因后，心肌细胞内 Gαq-PLC/PKC-MEK1-ERK信号转导失调，使得 PKC、PLC和MEK1等具有心肌保护作用的的蛋白活性减弱，使心血管的发育受限，最终导致进行性心力衰竭的发生。而在体外H9C2细胞及体内成年大鼠的肾动脉结扎诱导的心脏应激模型的研究中发现，肥大心脏中ATE1蛋白水平表达升高，其在心肌细胞中的敏感性可抑制调节心肌肥大和凋亡的基因的表达。而敲除ATE1基因能够调节由TAK1活性依赖的MAPK信号通路联级，阻断JNK1/2信号通路，下调心脏的肥大反应。同时发现敲除ATE1基因能够通过调节 TGFβ/Smad信号转导以及Caspase3介导的心脏凋亡途径来调节纤维化基因标志物的表达[13]，表明在有心脏应激条件下进行ATE1敲低可以起到心脏保护作用，抑制ATE1活性可能为治疗心肌肥大、心肌纤维化引起的心力衰竭提供治疗策略。

2.2 ATE1与癌症ATE1为影响许多癌症相关途径如应激反应、细胞周期检查点、细胞迁移/黏附的主要调节因子。如ATE1可通过调节应激反应影响DNA突变[14]；
ATE1介导的β-肌动蛋白的精氨酰化可调节肌动蛋白的细胞骨架，从而调节其细胞运动能力，促进肿瘤细胞的迁移/黏附。另研究发现[15]ATE1可抑制细胞致瘤潜能并与人类癌症的转移呈负相关。ATE1敲除(KO)的胚胎成纤维细胞可表现出异常快速的非接触依赖性生长、形成细胞-细胞接触的能力降低以及染色体畸变的致瘤特性，且可以在基质胶中形成大的集落并表现出侵袭行为；
另ATE1-KO细胞在免疫功能低下小鼠的皮下异种移植时可形成肿瘤，而这些细胞的异常生长可以通过重新引入稳定表达的特定ATE1亚型来部分挽救，从而降低了细胞形成肿瘤的能力。而在一项前列腺癌转移的驱动因素和潜在的预后指标研究中发现[16]与非转移性细胞系相比，转移性前列腺癌细胞系的ATE1蛋白水平降低，并且ATE1的消耗驱使前列腺癌细胞向更具侵袭性的促转移表型发展。此外，肿瘤阵列研究和生物信息学分析表明，ATE1在几种类型的人类癌症样本中在蛋白质水平上下调，其转录水平与转移进展和患者存活率呈负相关，表明ATE1对于肿瘤抑制及转移性生长是必不可少的[10]。而ATE1修饰后的钙网蛋白在硼替佐米处理的人神经胶质瘤细胞系凋亡中的调节作用[17]，以及慢病毒介导的ATE1敲低显著促进肝癌的生长、迁移和疾病进展等，表明ATE1是未来癌症诊断和治疗研究的有力候选靶点。

2.3 ATE1与神经退行性病变ATE1介导的精氨酰化在维持神经变性的重要因素如α-突触核蛋白(α-syn)、β-淀粉样蛋白、TAR DNA结合蛋白(TDP43)蛋白水解片段的正常生理功能方面起着关键作用。其中α-syn是一种定位于突触前神经元的蛋白质，当失调时，它在大脑中的聚集和路易小体的形成被认为是导致帕金森病发展的一个因素[18]；
β-淀粉样蛋白可通过在大脑中形成称为斑块的聚集体而导致阿尔茨海默病；
TDP43的聚集对肌萎缩侧索硬化(ALS) 及其他许多神经系统疾病均有影响[19]。而ATE1可有助于α-syn蛋白质的规则折叠，促进β-淀粉样蛋白的精氨酰化，促使泛素水解酶系统清除聚集的TDP43，进而调节神经退行性过程[4]。此外ATE1可通过触发神经组织再生协调细胞骨架重排和膜扩张，促进轴突再生，调节或限制再生过程的神经胶质反应参与神经退行性病变[20]。使用不同类型ATE1突变小鼠的研究证明了蛋白质精氨酰化在神经系统发育过程中的重要性。研究发现ATE1缺失的条件性小鼠出生后存活率低，并且脑部异常，神经元减少，且生长锥迁移存在明显缺陷，而ATE1可以靶向神经元生长锥并在大脑发育过程中调节神经突生长[21]；
另ATE1敲除的小鼠大脑显示出缺陷的G蛋白信号，使神经上皮细胞的有丝分裂减少，可在神经管附近显示出严重的脑出血和囊性间隙，表明ATE1的消融可导致神经管发育缺陷[22]；
此外ATE1缺陷的小鼠大脑出现水肿增大，惊吓反应增强，运动过度，容易癫痫发作；
而当ATE1催化活性损害时，可导致Arg/N-末端规则途径蛋白水解活性受到抑制并最终诱导神经元细胞凋亡[23]。表明ATE1在脑生理学及神经发育中发挥重要作用。

2.4 ATE1与其他疾病ATE1介导的精氨酰化缺失导致血小板肌球蛋白磷酸化受损、凝块收缩和体内血栓形成表明ATE1可作为血小板功能的新型调节剂[24]，可能在血小板功能障碍性疾病中发挥着一定的作用；
而采用Cre-lox技术删除出生后小鼠ATE1基因可导致小鼠体重快速下降，尽管食欲亢进，幸存的ATE1缺陷小鼠几乎不含内脏脂肪，且代谢率增加、白色脂肪中Ucp1解偶联蛋白异位诱导，并且对饮食诱导的肥胖具有抵抗力，另ATE1的抑制或敲除严重阻碍了前脂肪细胞向成熟脂肪细胞的分化，表明ATE1可能与肥胖相关性疾病存在一定的联系[23]；
此外，ATE1的缺失可导致精母细胞的缺陷，引起雄性小鼠的不育，表明ATE1可能与男性不育存在一定的相关性。

ATE1介导的精氨酰化为全球生物调节剂，对众多不同的生物过程至关重要。但该酶是如何被调节的，其功能需要哪些辅助因子，其相关的作用底物是否具有特异性，仍需要进一步的探讨。因此，采用现代先进的技术平台进行科学缜密的研究设计全面了解ATE1的生物学作用、深入探讨其在不同生理途径和病理状态中的参与及调节机制，将有利于全面揭示ATE1对人类健康维护的意义，为相关疾病的治疗提供一个新的靶点。