蛋白質棕櫚?；揎椀姆治龇椒ㄟM展

方彩云　張曉勤　陸豪杰

摘要：棕櫚?；揎検堑鞍踪|翻譯后脂質修飾的重要形式之一，在細胞信號傳導、代謝、凋亡、疾病的發(fā)生、發(fā)展等過程中都起著重要的作用。因此，定性和定量分析蛋白質棕櫚酰化修飾對理解其生物學功能具有重要意義。本文綜述了近年出現(xiàn)的蛋白質棕櫚?；揎椃治黾夹g和方法及其優(yōu)缺點，并對其未來的發(fā)展趨勢進行了展望。

關鍵詞：棕櫚?；揎?； 質譜技術； 蛋白質組學； 評述

1引言

蛋白質翻譯后修飾的發(fā)生使得蛋白質的結構更復雜、功能更完善，在生物體內起著極為重要的作用，脂類修飾便是其中一種非常重要的翻譯后修飾形式。棕櫚酸鹽是豐度最高的脂肪酸，可被共價修飾到蛋白質上。根據(jù)連接方式不同，棕櫚?；揎椏煞譃镹型（通過酰胺鍵連接到Gly/Cys殘基上）和S型。蛋白質的S型棕櫚?；揎棧≒almitoylation）是指飽和的16個碳的棕櫚酸鹽通過硫酯鍵共價修飾到蛋白質Cys的巰基上[1]，如圖1所示），它是一種動態(tài)、可逆的翻譯后修飾形式，可在時間和空間上調節(jié)蛋白質的功能。許多棕櫚酰化修飾的可溶或整合膜蛋白質，如信號蛋白質（包括在癌癥和突觸信號中斷關鍵因子）、細胞黏附分子和神經遞質受體等，可調控蛋白質的活性和穩(wěn)定性，蛋白蛋白相互作用，促進蛋白質定位膜脂筏等，在細胞信號傳導、代謝、凋亡、疾病的發(fā)生和癌變中都起著重要的作用[1，2]。

深入研究和理解蛋白質棕櫚酰化修飾的機制，定性和定量分析含這種修飾的蛋白質，以及對棕櫚?；腿プ貦磅；揎椣嚓P酶的理解、動態(tài)監(jiān)控棕櫚?；腿プ貦磅；闹芷冢瑢斫鈴碗s信號通路的空間和時間調節(jié)等都具有重要意義。定點突變法是傳統(tǒng)的方法。一般是將候選的半胱氨酸Cys殘基突變?yōu)镾er或Ala，將突變體克隆和野生型分別轉染細胞，并比較兩者的功能差異。但這種方法不能直接檢測內源蛋白質，棕櫚?；揎椢稽c的突變可能會導致附近的Cys殘基發(fā)生異常[3]。此外，許多蛋白質棕櫚?；种苿┘叭プ貦磅；淖貦磅Ａ蛑敢脖粡V泛使用，例如，2溴軟脂酸乙烯（2Bromopalmitate， 2BP）[4]，淺藍菌素（Cerulenin）和衣霉素（Tunicamycin）等都具有較好的效果[5]。盡管這些方法的應用促進了人們對蛋白質棕?；揎椀恼J識，但在沒有任何修飾位點信息提示的情況下，這樣的研究過程不但耗時費力，而且棕櫚?；揎椢稽c的鑒定比較困難。這是因為：（1）雖然已知一些蛋白質酰基轉移酶在富含半胱氨酸的結構域中有保守的DHHC motif，且也已發(fā)現(xiàn)幾種去酰化酶，但蛋白質發(fā)生S棕櫚?；揎椇腿プ貦磅；揎椀拿笇W尚不清楚[6]；（2）還沒有明確的蛋白質棕櫚酰化修飾的共識基序（Consensus motif）[7]；（3）棕櫚酰化修飾通常發(fā)生在跨膜蛋白或膜相關的蛋白質[8]，而膜蛋白的溶解度和豐度低，長鏈脂肪酸的加入更進一步增加了其疏水性，增加了檢測難度；（4）不像磷酸化和糖基化修飾，它沒有親和基團如棕櫚?；揎椞禺惖目贵w等用于富集低豐度的棕櫚酰化修飾蛋白質。因此，人們對它的認識遠不及糖基化、磷酸化等其它翻譯后修飾。

目前，隨著質譜和組學技術的發(fā)展，越來越多的棕櫚?；揎椀鞍踪|及其修飾位點得到了鑒定，極大地促進了人們對蛋白質棕櫚酰化修飾的理解。為此，本文就基于質譜和組學手段的棕櫚酰化修飾蛋白質/肽段的分析方法及其進展進行了綜述。

2生物信息學預測方法

3質譜法直接檢測蛋白質的棕櫚?；揎椢稽c和脂質基團

質譜分析具有靈敏度高、樣品用量少等優(yōu)點，能準確分析連接到?；揎椀鞍踪|甚至是單一酰化修飾位點上的脂肪酸種類。一般是通過層析或免疫沉淀等方法獲得目標蛋白質，根據(jù)序列的特性選擇合適的酶進行蛋白質酶解后，然后比較羥胺處理前后相應酶解肽段的質量會發(fā)生變化，從而可通過質譜方法鑒定該?；揎椈鶊F的分子特性[14]。Hemagglutinin（HA）是一個主要的包膜糖蛋白調節(jié)病毒和細胞膜融合，通過含有一個跨膜域和一個胞質尾的輕HA2鏈錨定在病毒包膜上，C末端區(qū)域的3個Cys殘基（一個在跨膜域，兩個在胞質尾）是高度保守，且在所有HA亞型中都可能棕櫚?；?。Kordyukova等[15]用基質輔助激光解析電離飛行時間質譜（MALDITOF MS）分析流感病毒蛋白HA上脂肪酸的類型時發(fā)現(xiàn)，具有兩個胞質Cys的Influenza B virus HA含有棕櫚?；揎棧哂幸粋€跨膜Cys的Influenza C virus HA發(fā)生了硬脂酸?；揎?，而有一個跨膜和兩個胞質Cys的Influenza A virus HA則同時包含棕櫚酸鹽和硬脂酸?；揎棥erebryakova等[16]用MALDITOF MS分析A/X31（H3 subtype），A/Puerto Rico/8/34 （H1 subtype）和A/FPV/Weybridge/34 （H7 subtype）病毒中C末端HA2肽段時，發(fā)現(xiàn)這些肽段不僅能被棕櫚酸鹽修飾，還能被硬脂酸修飾，且3株病毒中棕櫚酸/硬脂酸的比例不同，其中A/FPV/Weybridge/34病毒株優(yōu)先結合硬脂酸。Ozols等[17]用溴化氰裂解、Trysin和LysC酶解純化的含[3H]palmitate標記的αTubulin后進行質譜分析發(fā)現(xiàn)，與C20， C213和C305相比，C376是主要的棕櫚酰化修飾位點。Bizzozero等[18]發(fā)現(xiàn)棕櫚?；翘烊凰枨实鞍字|蛋白（PLP）的主要翻譯后修飾類型，且在中樞神經系統(tǒng)中大多數(shù)的PLP和DM20是完全?；摹?/p>

氣相色譜質譜聯(lián)用（GCMS）被廣泛用于復雜組分的分離與鑒定，其具有GC的高分辨率和MS的高靈敏度，適于低分子化合物尤其是揮發(fā)性成分的分析。Sorek等用GCMS分析了蛋白質AtROP6[19]和CBL1[20]上的脂質基團；在氧化鉑（Ⅳ）存在下，通過氫化反應將S棕櫚酰化修飾蛋白質的巰酯鍵打斷，釋放蛋白質上的脂肪酸基團并用純甲酸和乙醇產生乙基酯化后，用GCMS分析了蛋白質的S棕櫚酰化修飾，該法能分析低至1 μg的純化蛋白質，并可實現(xiàn)S棕櫚酰化水平的相對定量[21]，他們認為，通過氫化反應并結合乙基酯化可得到極性基團的脂肪酸，提高GC的分離和鑒定。體外轉移甲基和穩(wěn)定同位素標記法（iFAT）結合GCMS方法可定量比較不同細胞狀態(tài)下的?；揎梉22]，iFAT法適于處理疏水性的膜蛋白質，通過數(shù)據(jù)庫檢索和標準脂肪酸甲酯的色譜保留時間可實現(xiàn)?；蔫b定，穩(wěn)定同位素標記可用作內標準確比較不同細胞狀態(tài)下酰基修飾。

但許多棕櫚?；揎椀牡鞍踪|是膜蛋白，疏水性較強，不容易得到純化的蛋白質樣品，這在一定程度上限制該方法的應用。

4以“棕櫚酸鹽為中心”的分析方法

4.1放射性棕櫚酸鹽代謝標記法

最經典的方法是用放射性棕櫚酸鹽（例如，3Hpalmitate和125Ipalmitate）代謝標記培養(yǎng)細胞，通過放射自顯影檢測同位素標記的程度，檢測棕櫚?；揎椀牡鞍踪|，其中，3Hpalmitate是使用最廣泛的放射性標記棕櫚酸鹽[23]。但該法操作繁瑣、需很長的曝光時間；使用較高濃度的放射性同位素，有害且處理費用高；只能用于檢測活細胞中的棕櫚酰化修飾蛋白質；產生的信號弱，靈敏度不高，不能檢測豐度較低的棕櫚?；揎椀鞍踪|；無法提供棕櫚酰化修飾的化學計量信息，且缺乏直接富集和鑒定放射性標記蛋白質的方法。

4.2棕櫚酸脂類似物代謝標記法

疊氮或炔基脂肪酸探針非常靈敏，為快速檢測和富集細胞脂質修飾蛋白質提供了機會。由于含疊氮或炔基的棕櫚酸類似物從結構和功能上來說都與它們的天然產物相似，因此能通過代謝通路進入到細胞蛋白質中。將含疊氮或炔基的棕櫚酸類似物代謝進入細胞蛋白質，然后通過化學選擇性鏈接如施陶丁格連接[24]或點擊化學[25]方法，選擇性地將帶疊氮或炔基基團的蛋白質連接到生物素或熒光基團上，從而富集或檢測棕櫚?；揎椀牡鞍踪|。與放射性棕櫚酸鹽代謝標記方法相比，該法不使用放射性同位素，檢測時間較短，熒光基團的使用大大提高了方法的靈敏度，可通過親和純化富集或利用熒光探針觀察棕櫚?；揎椀鞍踪|。

4.2.2以炔基為化學報告基團的方法雖然疊氮基脂肪酸類似物在檢測蛋白質脂肪酸?；揎椃矫嫒〉昧撕艽蟮倪M展，但添加一個疊氮基團到脂肪酸鏈上，可能會干擾脂肪酸的疏水性及其進入脂質膜結構的機制。而炔基可保留脂肪酸碳鏈的疏水性，減少脂肪酸物理化學性質的變化及其與脂質間的相互作用，且具有代謝惰性（圖2）。另外，通過點擊化學捕獲比施陶丁格連接的效率要高，因此炔基探針通常要優(yōu)于疊氮修飾的探針，具有更高的靈敏度和檢測效率[30]。利用基團熒光檢測方法可提供研究動態(tài)復雜的生物過程的手段[31]，定量熒光顯微鏡方法能用來研究活細胞內GFPtagged棕櫚酰化蛋白質的胞內定位和運輸[32，33]。因此，Hannoush等[34]將一系列不同碳鏈長度的ω炔基脂肪酸加到哺乳動物細胞系中，通過加成反應將目標蛋白質連接到帶疊氮基團的生物素或熒光基團上，然后利用鏈霉親和素連接的辣根過氧化物酶進行免疫印跡分析，并通過高分辨的共聚焦顯微鏡分析了含ω炔基脂肪酸蛋白質的亞細胞分布以及脂質修飾蛋白質在細胞分化不同階段的分布情況。Zhang等[35]利用串聯(lián)標記和檢測的方法同時監(jiān)控動態(tài)的S棕櫚?；揎椇偷鞍踪|的更新，他們同時用兩種不同的化學報告基團進行代謝標記，一種用于檢測動態(tài)的S棕櫚酰化修飾，另一個則用來監(jiān)控蛋白質的周轉率，隨后用正交熒光標簽依次地進行點擊化學反應，從而有效地分析細胞中棕櫚酸鹽的循環(huán)周期。他們也發(fā)現(xiàn)，較短的脂肪酸類似物（az12和alk12）優(yōu)先標記Nmyristoylated蛋白質， 而較長的脂肪酸衍生物（az15和alk16））則會進入S棕櫚酰化修飾的蛋白質中[36]。Yount等[37]用alk16[38]為化學報告基團，分析了鼠樹突狀細胞系中棕櫚?；揎椀鞍踪|組，共鑒定到157個具有不同細胞功能的脂質修飾蛋白質（其中60個和97個被分別為高可信度和中可信度），他們的研究發(fā)現(xiàn)，IFITM3的抗病毒活性受到S棕櫚酰化修飾的調控。Yap等[39]將ω炔基棕櫚酸鹽類似物代謝進入GAPDH或線粒體3羥基3甲基戊二酰基CoA合成酶，通過點擊化學與疊氮的生物素探針或熒光探針3azido7hydroxycoumarin反應快速檢測棕櫚?；揎?。Martin等[40]用商品化的17Octadecynoic acid （17ODYA）作為生物正交、點擊化學探針進行原位標記，從永生的Jurkat T細胞中共鑒定了125個高可信度和大約200個中間可信度的棕櫚酰化修飾蛋白質，包括G蛋白、受體和一些質膜定位依賴于棕櫚?；揎椀乃饷傅?。這是首個哺乳動物細胞棕櫚?；鞍踪|組的分析。隨后，又將17ODYA代謝標記和SILAC（Stable isotope labeling by/with amino acids in cell culture）法相結合，在小鼠T細胞雜交瘤細胞中定性和定量了400多個棕櫚?；揎椀鞍踪|，并用17ODYA代謝脈沖追蹤標記方法分辨穩(wěn)定的和更新較快的棕櫚酰化修飾蛋白質[41]。

綜上，雖然“以棕櫚酸鹽為中心”方法有其優(yōu)點，但也存在不足之處：需將放射性或化學修飾的棕櫚酸脂類似物代謝標記到細胞內，故不能分析組織樣品和體液，且較難用于癌細胞，因為癌細胞中脂肪酸合成酶的過度表達和過度活躍會極大地降低外源性長鏈脂肪酸的攝入[42]；與相對穩(wěn)定的棕櫚?；揎椀鞍踪|相比，該法可能會更加偏向棕櫚酸鹽更新較快的蛋白質；只能分析特定的S?；揎?，若引入棕櫚酸脂類似物，則只能分析棕櫚酰化修飾，不能分析其它更短、更長或不飽和脂肪酸修飾的蛋白質；來自于天然脂肪酸和放射性標記的脂肪酸類似物之間的結構差異帶來的生理影響還不清楚，真核細胞中代謝途徑非常復雜，棕櫚酸脂類似物可能會以不同的代謝途徑進入，導致無法預測的生物學效應。

ABE法的優(yōu)點是不需代謝標記，可分析細胞（包括癌細胞）、組織和體液樣品，盡管在檢測棕櫚酰化修飾蛋白質方面有了很大的進展，但也有如下的局限性：（1）假陽性率相對較高：該法是巰酯鍵特異的方法而不是S棕櫚?；揎椞禺惖姆椒?，外源性的羥胺水解敏感的巰酯鍵蛋白質都可能被同時富集而造成假陽性。實際操作時，首先要確保蛋白質中原先存在的自由巰基完全封閉，需嚴格控制自由巰基封閉試劑的種類、用量和孵育時間等；需控制反應時間、羥胺的濃度和溶液的pH值，保證羥胺完全切除棕櫚?；揎椈鶊F；去除棕櫚酰化修飾基團后，應完全標記新產生的自由巰基；用鏈霉親和素磁珠富集時，也可能會將體內生物素化修飾蛋白質富集而造成固有背景，以上這些因素會導致近三分之一的鑒定蛋白質為假陽性結果[8， 54]。與ABE方法相比，點擊化學具有明顯較低的假陽性率[55]。因此，為減少假陽性結果，一般需進行對照實驗。（2）該法為間接檢測和純化方法，用該法得到的蛋白質可能是棕櫚酸修飾的蛋白質，也可能是對羥胺水解敏感的其它脂肪酸修飾的蛋白質，若需準確鑒定連接到蛋白質上的脂質類型，則需采用GCMS進一步分析。

6展望

由于缺乏明確的蛋白質棕櫚酰化修飾位點，極大地阻礙了棕櫚?；揎椀鞍踪|功能的研究。盡管近年來已受到越來越多的重視，并取得了較大的進展，尤其是ABE法和棕櫚酸鹽類似物代謝標記方法的發(fā)展，使越來越多的棕櫚酰化修飾位點得到了鑒定，但目前關于棕櫚酰化修飾蛋白質組研究的報道主要集中于位點的鑒定，即定性研究，且現(xiàn)有方法也都各有其不足之處，因此，仍需致力于棕櫚酰化修飾蛋白質定性與定量分析，發(fā)展更有效及準確特異的研究方法，比如，由于棕櫚?；揎椀鞍踪|為細胞膜蛋白或者是與膜相關的蛋白質，疏水性強，因此可結合細胞膜蛋白質組學方法，增加膜蛋白的溶解性；現(xiàn)有分析方法操作步驟多，易造成樣品損失尤其是低豐度蛋白質的損失，且鑒定結果的假陽性率高，因此可適當簡化操作流程，選用合適的去垢劑，采用選擇性好、富集效率高的新型富集載體，甚至是選用能同時滿足富集和定量分析要求的富集材料，并建立相應的分析方法；發(fā)展靈敏度高、選擇性好的熒光檢測試劑；發(fā)展一些代謝效率更高的脂肪酸類似物等，從而提高樣品分析的重復性、靈敏度和定量的準確性，以獲得更多可靠的棕櫚?；揎椀鞍踪|及其位點的信息，甚至與活細胞成像等方法相結合，從而有助于進一步揭示動態(tài)S棕櫚?；揎椀纳镏匾院凸δ?。

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