賴氨酸琥珀酰化修飾與疾病的研究進展

蒙婷 徐丹 李爭 荊晶 李風森

[摘要]賴氨酸琥珀酰化修飾是一種新型蛋白質翻譯后修飾，在組蛋白中被發現，普遍存在于所有原核和真核生命體的細胞質和細胞核中，參與并調控幾乎所有生命體的生物過程，與疾病密切相關。本文綜述了賴氨酸琥珀酰化的特點、修飾位點的分布以及主要影響因素，歸納了 SIRT5調控琥珀酰化參與疾病發生發展的多種代謝途徑，為進一步探索疾病的發病機制提供基礎。

[關鍵詞]賴氨酸琥珀酰化;代謝;線粒體; SIRT5;疾病

[中圖分類號] R730.2? [文獻標識碼] A?? [文章編號]2095-0616（2021）23-0039-05

Advances in the study of the correlation between lysine succinylation modification and diseases

MENG? Ting1????? XU? Dan2????? LI? Zheng2????? JING? Jing2????? LI? Fengsen1，2

1.School of Traditional Chinese Medicine， Xinjiang Medical University， Xinjiang， Urumqi 830000， China;2.National Clinical Research Base of Traditional Chinese Medicine， the Fourth Affiliated Hospital of Xinjiang Medical University， Xinjiang， Urumqi 830000， China

[Abstract] Lysine succinylation modification is a novel post-translational modification of protein identified in histones， which commonly exists in the cytoplasm and nucleus of all prokaryotic and eukaryotic living organisms， participates in and regulates biological processes of almost all living organisms， and is closely associated with diseases. This paper reviews the characteristics of lysine succinylation， the distribution of modification sites and the main influencing factors， and summarizes the various metabolic pathways through which SIRT5 regulates succinylation and participates in the occurrence and development of diseases， providing a basis for further exploration of disease pathogenesis.

[Key words] Lysine succinylation; Metabolism; Mitochondria; SIRT5; Disease

蛋白質翻譯后修飾（protein post-translational modification， PTM）普遍存在于各種原核和真核生物中，參與各種生命活動并發揮重要作用[1]。常見的 PTM 包括磷酸化、乙酰化、甲基化、泛素化、甲基化丙二酰化及琥珀酰化等[2]。由于琥珀酰化修飾在生物進化中比較保守，幾乎涉及生物體的所有生物學過程。所以與其他 PTM 相比較，能夠引發更多的蛋白質理化性質和功能的改變[3]。隨著質譜技術的不斷發展，研究發現[4]琥珀酰化參與了眾多生物學過程，如氧化過程、代謝調節、信號轉導等，與人類多種疾病的發生發展密切相關，是近年來研究的熱點。

1賴氨酸琥珀酰化的特點

琥珀酰化修飾屬于酸性酰基化修飾。因為琥珀酸酰基團空間結構較大與氨基酸殘端結合會導致蛋白結構發生顯著的改變，所以琥珀酰化修飾對蛋白質特性的影響更大。眾多研究表明[4-5]琥珀酰化修飾在生物體中廣泛存在，參與細胞代謝調控等多種生物學過程，因參與對染色質及其下游基因的表達調控，作為一種發生于組蛋白上的標志，被表觀遺傳學頻繁報道。

1.1琥珀酰化修飾位點的分布

賴氨酸琥珀酰化廣泛分布在細胞質和細胞核中。在細胞質中主要發生在線粒體上，在細胞核中，>1/3的核小體中存在賴氨酸琥珀酰化的修飾。研究發現琥珀酰化與乙酰化的修飾位點有廣泛的重疊[6]。重疊的修飾位點傾向于發生在β片層結構和α螺旋區域，可能位于極性酸性/堿性氨基酸區，并暴露在蛋白質的表面[7]。大部分琥珀酰化位點在處于中心代謝途徑的蛋白上，通過改變蛋白質結構而影響到所修飾蛋白質的性能，因為發生琥珀酰化修飾的蛋白幾乎涉及生命體所有的代謝途徑，參與多種生物學過程[8]，所以已成為生命科學領域研究的熱點。

1.2調控琥珀酰化修飾相關的酶

有研究認為琥珀酰化修飾是以一種非酶的化學反應的形式發生，而眾多研究證實琥珀酰化修飾的發生是一種酶促反應，但也不能排除少量的非酶促反應[9-10]。所有目前大多數研究仍提出琥珀酰化修飾水平主要受琥珀酰基轉移酶及琥珀酰基供體、去琥珀酰化酶的調控。其中琥珀酰基轉移酶、琥珀酰基供體對琥珀酰化修飾發揮正向調控作用，去琥珀酰化酶對琥珀酰化修飾發揮負向調控作用[11]。

1.2.1琥珀酰基轉移酶目前普遍認為廣義上的組蛋白乙酰轉移酶兼具催化其他酰基化修飾反應的能力。通過文獻查閱總結，目前常見的琥珀酰轉移酶主要有 P300、KAT2A、GCN5、CPT1A。①因 P300能夠催化酰基化修飾的廣泛發生，除了具有乙酰轉移酶活性外，還具有催化賴氨酸的丙酰化、丁酰化、巴豆酰化、p-羥丁基化、琥珀酰化以及戊二酰化等修飾能力[12]。②有研究發現琥珀酰轉移酶活性-缺陷型 KAT2A Y645A 的表達降低了 H3K79的琥珀酸化和14-3-3ζ的表達，KAT2A 介導的14-3-3ζ和β-catenin 的表達促進了上皮間充質轉化的 PDAC 細胞的糖酵解、細胞增殖、遷移和侵襲。揭示了 KAT2A 介導的組蛋白琥珀酸化促進腫瘤細胞增殖和侵襲中的新作用[13]。③ GCN5被報道[14]可催化組蛋白的琥珀酰化修飾，與α-KGDH 復合物在啟動子區的組蛋白 H3上共定位。研究通過催化α-酮戊二酸生成琥珀酰輔酶 A，提高了琥珀酰輔酶 A 在 GCN5處的局部濃度，可促進組蛋白 H3K79位點上的琥珀酰化修飾，促進細胞增殖和腫瘤發生。④ CPT1A 可調控底物蛋白及相關代謝過程，在體內外均可發揮琥珀酰基轉移酶作用。在胃癌的研究中發現 CPT1A 可作為賴氨酸琥珀酰轉移酶與 S100A10相互作用，促進胃癌的侵襲和遷移[15]。

1.2.2琥珀酰基供體目前普遍研究認為琥珀酰輔酶 A 是琥珀酰基的主要供體，其濃度影響琥珀酰化水平。琥珀酰輔酶 A 絕大部分在線粒體中生成，并可通過線粒體膜進入細胞質基質，少部分在線粒體外生成[1-3]。也有研究[16]發現丙烯-酮戊二酸脫氫酶復合物可作為一種反式琥珀酸酶，介導以丙烯-酮戊二酸依賴型方式進行琥珀酰化。

1.2.3去琥珀酰化酶在真核生物琥珀酰化修飾的研究中，Sirtuin家族蛋白提到的相對較多。其中 SIRT5和 SIRT7是目前已知的負向調控琥珀酰化的酶。SIRT5主要定位在線粒體中，也存在于細胞質和細胞核中，因其特殊的結構和對某些氨基酸的特異性識別，而具有強大的去琥珀酰化的活性，目前研究較多且與細胞能量代謝密切相關[17]。SIRT7主要存在于細胞核和細胞質中，具有去琥珀酰化、去丁酰化、去丙酰化、去戊二酰化、去乙酰化的活性，而去乙酰化酶活性相對較弱。因其研究目前較少，所以至今尚未發現 SIRT7去琥珀酰化的非組蛋白底物。

2賴氨酸琥珀酰化的調控

研究表明賴氨酸琥珀酰化修飾在生物界中廣泛存在，而大多數的琥珀酰化修飾發生在線粒體內，與線粒體的能量代謝密切相關，參與并調控 TCA、氨基酸代謝以及脂肪酸代謝在內的多個代謝信號通路[18]。

2.1糖酵解、三羧酸循環

有研究表明當 TCA 循環代謝出現問題可導致琥珀酰賴氨酸在染色質中的分布，與基因轉錄反應相關。染色質琥珀酰化可能是代謝調節全基因組轉錄和 DNA 修復活動的機制[19]。

2.2脂肪酸氧化

有研究發現[20]蝙蝠線粒體蛋白的琥珀酰化和丙二酰化水平較高，SIRT5調控了蝙蝠的關鍵產熱蛋白 UCP1。UCP1中兩個琥珀酰化賴氨酸突變可顯著降低其穩定性和活性。SIRT5缺失的蝙蝠中 UCP1發生琥珀酰化修飾，其蛋白功能的降低可導致線粒體呼吸功能受損，出現線粒體吞噬功能缺陷和代謝紊亂。

2.3呼吸鏈、電子傳遞鏈

有研究發現[21]SIRT5通過與心磷脂的親和力來促進呼吸鏈功能，從而靶向于線粒體內膜上的蛋白質復合物。SIRT5缺失的 HEK293細胞在復合物Ⅰ和復合物Ⅱ驅動呼吸中均表現出缺陷。在小鼠肝臟中，SIRT5缺失的肝臟表現出復合物Ⅱ驅動呼吸減少，復合物Ⅱ和 ATP 合成酶的活性也明顯降低。SIRT5靶向賴氨酸殘基幾個位于琥珀酸脫氫酶 B 亞基 B 的蛋白質-脂質界面上。這些位點的琥珀酰化可能會破壞復雜的Ⅱ亞基與亞基的相互作用和電子轉移。

2.4酮體形成

有研究[22]在 SIRT5敲除的動物肝臟線粒體中鑒定到1190個琥珀酰化位點，SIRT5在體內和體外速率的調節可以限制 HMGCS2的琥珀酰化。 HMGCS2上的高琥珀酰化殘基 K83和 K310突變為谷氨酸，可強烈抑制酶的活性。因此推測 SIRT5作為線粒體中賴氨酸琥珀酰化的全局調控因子，并通過 HMGCS2抑制酮生成。

2.5活性氧清除

研究發現[23]SIRT5敲除可導致細胞內 ROS 水平升高，SIRT5失活導致 IDH2和 G6PD 的抑制，是 NADPH 的產生減少，進而降低 GSH 的生成，削弱了清除 ROS 的抗氧化能力，使細胞對氧化應激的敏感性增加。揭示了 SIRT5通過促進 IDH2脫羧和 G6PD 脫谷氨酸化來調節細胞 NADPH 穩態和氧化還原電位。

3賴氨酸琥珀酰化與疾病的關系

琥珀酰化修飾在代謝酶和線粒體蛋白上高度富集，所以與線粒體相關疾病的研究較多。大量研究表明[24-26]琥珀酰化修飾通過調控疾病的相關重要蛋白或是調控過程中關鍵酶，對疾病的發生與發展起到關鍵作用。

3.1結核、炎癥

張翠萍[27]發現 SIRT5缺失的巨噬細胞在 LPS 刺激下 NLRP3炎性小體活化水平上調，并且整合 NF-κB 和 AMPK 通路調控 IL-1β與 ROS 的產生。 Yang 等[8]對毒力Mtb菌株 H37Rv 進行了整體琥珀酰化分析，所鑒定的琥珀酰化蛋白參與多種生物過程，而賴氨酸琥珀酰化動態調節酶在細菌和人類細胞的碳代謝中起到重要作用。

3.2腫瘤

沈潮等[28]發現 SIRT5能去琥珀酰化 SHMT2，提升其酶活，并鑒定到第181位賴氨酸是 SHMT2的主要琥珀酰化位點。還發現高濃度的甲氨蝶呤（MTX）能通過抑制 SIRT5的表達，提升 SHMT2琥珀酰化水平，達到抑制腫瘤細胞增殖的目的。Sun 等[29]發現 SIRT5在卵巢癌組織中的表達比其在正常組織中的表達增加，SIRT5水平在順鉑耐藥的卵巢癌細胞中也高于對順鉑敏感的 A2780細胞。SIRT5通過調控 Nrf2/HO-1通路，依賴 ROS 抑制順鉑誘導的 DNA 損傷。

3.3心臟

Bai 等[30]發現房顫組中最顯著的下調蛋白因線粒體的存在而增多。心臟中琥珀酰輔酶 a 的濃度遠高于其他任何器官。提出一種假說，琥珀酰化是一種新的潛在的調控心房顫動時心臟能量代謝的模型。Hershberger 等[31]發現 SIRT5敲除的小鼠中脂肪酸氧化和葡萄糖氧化的明顯減少以及線粒體 NAD+/NADH 的整體減少，加速了心功能障礙的發展，揭示了 SIRT5調控的琥珀酰化起到維持心臟氧化代謝以確保生存的關鍵作用。

3.4肝臟

Du 等[32]采用基因編輯工具建立肝臟 SIRT5過表達和敲除小鼠模型，結果顯示 SIRT5小鼠丙二酰化和琥珀酰化降低，改善細胞糖酵解，抑制糖異生，增強脂肪酸氧化，減輕肝脂肪變性。Nakagawa 等[33]發現 SIRT5定位于線粒體基質，并與磷酸氨基甲酰合成酶1相互作用，催化尿素循環的初始步驟，用于氨的解毒和處理，SIRT5通過激活 CPS1，在氨解毒和處置中起著關鍵作用。

3.5肺臟

Wang 等[34]發現香煙煙霧提取物（CSE）誘導 SIRT5在 K271和 K290處脫乙酰 FOXO3。轉染 FOXO3 K271R-或 K290R-減弱的 CSE 誘導 SIRT5細胞凋亡，提示 SIRT5的保護作用是由 FOXO3介導的。相反，CSE 應激上調 SIRT5，激活 FOXO3，從而挽救細胞凋亡。提示 SIRT5是 CSE 誘導肺上皮細胞凋亡的決定因素之一。

3.6神經元

Gibson 等[35]的研究表明，KGDHC 可作為一種反式琥珀酸酶，抑制 KGDHC 可以減少培養神經元和神經元細胞系中多種蛋白的琥珀酰化，而 KGDHC 的多重作用對阿爾茨海默病很重要，推測琥珀酰化與神經系統疾病密切相關。

3.7年齡相關疾病

Zhang 等[36]對絕經后婦女琥珀酰化修飾位點和蛋白進行回顧性分析，結果表明琥珀酰化與衰老及年齡疾病相關。載脂蛋白 A-Ⅰ、載脂蛋白 A-Ⅱ、血紅蛋白亞單位和結合珠蛋白對絕經后婦女骨質疏松和骨質減少的診斷和治療有價值。

4小結

本文從多方面綜述了琥珀酰化相關的研究進展，無論在動物、植物還是微生物，賴氨酸琥珀酰化是一種非常普遍的 PTM，遍及細胞的各個部位，與細胞的生命活動息息相關。同時賴氨酸琥珀酰化與多種疾病的發生發展密切相關。在研究最多的 SIRT5調控琥珀酰化與線粒體特異性的文獻中表明[37]，琥珀酰化可能參與調控了許多以線粒體功能障礙為共同因素的疾病，而因與乙酰化位點的廣泛重疊，這些發生共同修飾位點的蛋白，是否通過不同的代謝途徑將共同的反應部位聯系起來？亦或是共同促進某種調控將對疾病產生怎樣的影響？仍有待于進一步去研究。

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（收稿日期：2021-02-25）