2021年蛋白棕榈化修饰在心血管疾病中的研究进展（全文）

2021年蛋白棕榈化修饰在心血管疾病中的研究进展（全文）2021年蛋白棕榈化修饰在心血管疾病中的研究进展（全文）蛋白需经过DNA复制，转录形成RNA，转录后加工，翻译成蛋白，翻译后加工转运等一系列复杂过程才具有生物学活性。

有些蛋白需要定位在细胞特定的亚器，如细胞膜，才能发挥其正常的生物学功能。

在这些蛋白中，有些属于膜内在受体，可以直接定位在细胞膜，如G蛋白偶联受体，而有些蛋白则要经过翻译后修饰才可以准确定位到细胞膜，如法尼基化，棕榈酰化，豆蔻酰化等，因此这些修饰对于蛋白的功能至关重要[1]。

其中，棕榈酰化是唯一可逆的脂质修饰，广泛存在于各组织系统中，这种修饰过程参与了多种疾病的发生发展过程，与肿瘤，神经系统疾病和心血管系统等疾病的发生发展密切相关。

一、蛋白的脂质化修饰蛋白的翻译后加工包括磷酸化、糖基化、甲基化、羟基化和脂质化修饰等。

其中蛋白质的脂质化修饰是蛋白质翻译后加工修饰中重要的一种，指蛋白质与脂质分子的共价结合。

根据蛋白质结合脂肪酸链的不同，可将其以分为法尼基化、豆蔻酰化、酰基化和异戊烯化等脂质修饰[2,3]。

脂质化修饰对于蛋白定位、转运及蛋白质间相互作用和信号传导具有重要的意义[4－6]。

现今约有5％的人类基因组编码蛋白参与了这些翻译后的调控修饰[7]。

研究表明，对于棕榈酰化修饰缺陷的N–Ras(c186s)虽然仍有GTP 结合效率，但是其不能结合在胞膜上，因此缺乏对下游通路激活的的能力[8]。

脂质化修饰程度不同直接影响此蛋白与细胞膜的结合能力，当蛋白只经过法尼基化单一修饰时只能与细胞膜进行短暂的结合，当经过两次脂质修饰，即法尼基化和棕榈酰化修饰后，蛋白与细胞膜的解离速率可以长达几个小时。

当单一对于棕榈酰化修饰而言时，只有1个棕榈酰修饰位点的N－Ras在细胞膜停留的半衰期只有不到5分钟，而有两个棕榈酰化修饰位点的H－Ras，其的半衰期却可以延长到20分钟[4]。

可见，脂质修饰与蛋白的膜定位及其活性有密切关系。

二、蛋白的棕榈酰修饰及相关酶在脂质化的多种修饰中，只有棕榈酰化修饰是可逆的修饰过程。

它是指16个碳的脂肪酸棕榈酸盐通过硫酯键在棕榈酰转移酶（palmitoyl transferases，PATs）的作用下结合到靶蛋白的特定半胱氨酸残基上，再在蛋白质棕榈酰基硫酯酶（protein palmitoyl thioesterase，PPT）作用下硫酯键水解，实现去棕榈酰化，实现了可逆的循环过程[9,10]。

蛋白的棕榈酰化修饰对蛋白转运，定位，信号传导起到非常重要的作用。

这种动态的棕榈酰循环最初是1981年在transferrin受体蛋白上发现的，随后几年ankyrin和p21NRas蛋白也相继发现存在这种脂质修饰过程[11－13]。

PATs可以催化蛋白质的S－棕榈酰化，是一组含有高度保守的半胱氨酸富集的DHHC结构域的跨膜蛋白。

Fukata[13]筛选人鼠基因库，发现了23个DHHC基因，编码23种不同DHHC蛋白。

DHHC蛋白最早是在酵母中被发现的。

其中，DHHC结构域中的半胱氨酸残基，对于PATs 的酶活性具有决定作用，能够影响其空间结构和定位。

DHHC蛋白广泛的存在于从植物到人类的各个物种中，且对不同的催化蛋白具有特异性[14]。

这一家族在不同物种中的同源基因具有高度保守性，但是同一物种不同成员之间的序列保守性却很差。

在棕榈酰修饰中还另一类关键蛋白，即棕榈酰蛋白硫酯酶（palmitoyl protein thioesterases，PPTs），它们可以去除棕榈酰化修饰。

PPTs发现的比PATs要早，1993年PPT1在牛脑组织匀浆中发现，其可以去除提前经[3H]棕榈酰标记的H－Ras和Gα的棕榈酸盐[15]。

虽然PPTs发现较早，但是有关PPTs的作用蛋白，及其特异性等相关研究却少有报道，迄今为止被确定为PPTs的也只有PPT1，APT1，APT2，APTL1等[16]。

PPTs属于丝氨酸水解酶，含有激活的丝氨酸位点，用以水解多肽，蛋白以及脂质的酰胺，酯及硫脂键[17]。

随后，有研究发现PPT1缺陷可以导致婴儿型神经元蜡样质脂褐质沉积病，这种病是由于脂质修饰的蛋白质积累在神经元导致神经退行性溶酶体贮积失调而引起[18]。

但是有关PPT1在胞质中棕榈化修饰机制尚不清楚。

随后的三年，即1996年，另一种PPT 被日本科学家Hiroyuki等人发现，而此蛋白最早发现时却是作为一种Lysophospholipases（溶血磷脂酶）在大鼠的肝脏中提取出来的，所以这个蛋白叫Lypla1，即APT1（acyl protein thioesterases 1）[19]。

所以APT1同时兼有两种酶的活性，但是其棕榈酰化硫脂酶的活性要远远大于溶血磷脂酶活性，相差约100倍[20]。

随后越来越多的APT1作用蛋白相继被发现，如eNOS，Gα，SNAP－23和病毒蛋白[21－23]，并参与了相应的疾病病理过程。

三、棕榈酰蛋白硫酯酶的棕榈酰化修饰APT1和APT2作为最现今最主要的两种棕榈酰化硫脂酶，在其的N －端都有一个棕榈酰化修饰的半胱氨酸位点，使得这两个蛋白和其他它们它们作用的蛋白一样也可以定位于细胞膜，而正是这种作用，也促进了这两个蛋白与其靶蛋白在胞膜的结合，从而行使相应功能。

Kong et al.等[24]发现棕榈酰化可以促进APT1在细胞膜的聚集，并且催化棕榈酰化蛋白的去棕榈酰。

随后，Vartak等发现，非棕榈酰化的APTs还可以与棕榈酰化的蛋白在细胞内膜系统结合，说明去棕榈酰化过程是一个短暂而广泛存在的修饰过程[25]。

APTs可以帮助错误定位的棕榈酰蛋白去棕榈酰化，重新定位于高尔基复合体，在那里这些蛋白可以重新棕榈酰化修饰，所以对于很多棕榈酰蛋白主要定位集中于高尔基复合体。

棕榈酰化的APT1和APT2部分定位于高尔基复合体，在那里这两个蛋白相互结合而去棕榈酰化，使他们重新进入胞浆。

而且研究者发现在高尔基存在一个负反馈的棕榈酰化循环，即，棕榈酰化可以招募去棕榈酰酶，使得高尔基的棕榈酰和去棕榈酰化达到一种平衡。

所以，从这些结果来看，去棕榈酰酶APTs只是作为一个调控者，而不是关键因子存在，这也就解释为什么在低等动物中，APT1的棕榈酰半胱氨酸的保守性并不好。

当阻止去棕榈化过程就会延长蛋白与质膜的结合，使得蛋白错误定位于内膜系统。

这样就会消耗定位于细胞膜的N－Ras，H－Ras，减弱其下游信号通路从而抑制肿瘤的发生发展[26]。

四、棕榈酰化与心血管病的关系我们知道的NCX1是一种钠/钙交换因子，介导钙的跨膜转运，其的活性受到钠梯度和膜电位的控制。

在心肌中，NCX1可以通过影响钙流出控制心肌的舒张功能，NCX1功能异常与心律失常和缺血再灌注损伤密切相关[27]。

Fiona Plain[28]等人发现NCX1的C－端靠近跨膜区的第739位半胱氨基酸可以发生棕榈酰化修饰，NCX1的棕榈酰修饰异常可以影响其的功能及下游信号传导，势必在心律失常和缺血再灌注损伤中发挥重要作用。

心脏的另一种通道蛋白－电压门控钠通道（Nav1.5）可以通过启动和传导心脏中的动作电位在调节心脏电活动中起重要作用。

Nav1.5功能失调与多种心脏疾病相关，包括长QT3和Brugada综合征。

Pei 等人发现Nav1.5受棕榈酰化修饰，从而增加晚期钠电流活动，提高心脏兴奋性并延长动作电位持续时间。

阻断棕榈酰化后会降低肌细胞的兴奋性。

Pei[29]等人发现Nav1.5有四个可能的棕榈酰化修饰位点，其中的一个修饰位点与心律失常密切相关，棕榈酰化修饰可以改变Nav1.5功能和心脏兴奋性，因此棕榈酰化修饰与心律失常密切相关。

Jindal[30]等人发现Kv1.5可以在C593位点发生棕榈酰化。

在Kv1.5棕榈酰修饰突变的稳定细胞系中，Kv1.5在细胞膜的表达增加，并增加外向钾电流。

在人类心脏中，Kv1.5通道选择性地在心房肌细胞中表达，并且家族遗传的心房纤维化与Kv1.5的功能异常密切相关。

Kv1.5在大鼠心肌细胞中的过表达可以缩短动作电位的持续时间，产生类似于短QT综合征中的表型，因此，受棕榈酰化修饰Kv1.5势必与心肌纤维化和心律失常密切相关。

ZDHHC21是一种棕榈酰转移酶，有研究表明此蛋白突变小鼠的主动脉和肠系膜动脉对苯肾上腺素（一种α1肾上腺素能受体激动剂）反应变得迟钝。

在体实验中，其对去氧肾上腺素的反应也同样变得迟钝，使得儿茶酚胺水平和α1肾上腺素受体基因的表达也随之升高。

同时，这种小鼠还会出现心动过速和低血压，这种现象正好与其血管张力减弱密切相关。

最后研究者发现上述反应与ZDHHC21对α1D肾上腺素受体的棕榈酰化影响密切相关[31]。

可见棕榈酰化修饰可以通过影响肾上腺素受体的活性来影响血压或心率的变化。

相似的研究还有有关zf－DHHC16缺陷的小鼠模型（Aph2－/－）的研究，研究者们发现zf－DHHC16蛋白的作用底物是受磷蛋白，这种蛋白与人类心肌病密切相关，并证明了Aph2在胚胎/出生后存活，眼睛发育和心脏中发挥着重要作用。

Aph2－/－胚胎和幼仔表现出心肌病和心脏缺陷，包括心动过缓等病理变化。

Aph2缺乏导致受磷蛋白磷酸化的低磷酸化状态，使此蛋白处于一种高抑制形式。

Aph2－/－小鼠中受磷蛋白功能的抑制减轻了心脏缺陷。

这些发现使Aph2成为一种关键的心脏功能调节因子，并揭示了蛋白质棕榈酰化修饰在心脏等器官发育中的重要作用[32]。

Lin[33]等人通过电学和光学测量发现，心肌缺氧后复氧会发生大量内吞作用（massive endocytosis）。

而这一过程需要DHHC5，一种棕榈酰基转移酶的参与。

此外，DHHC5的缺失对缺氧后心肌的表现有益，这意味着抑制蛋白质的棕榈酰化修饰可能会保护复氧时心脏受损，进一步丰富了棕榈酰化修饰在心血管疾病中的研究。

五、展望棕榈化修饰在细胞信号和细胞生长发育等各个环节发挥着重要作用，与恶性肿瘤，神经系统等多种疾病密切相关。

而其与心血管相关的研究却多集中在对离子通道蛋白的影响极其下游信号通路的研究，因此，也主要集中在与心律失常相关的疾病中的研究，而其他心血管相关疾病的研究相对较少。

对于影响广泛的蛋白的棕榈酰化修饰和表达广泛的棕榈酰修饰的相关酶类而言，其在心血管领域的研究显得滞后和缓慢。

一方面与其研究方法的复杂性和研发相关试剂的有限性有关，另一方面与研究者对其在心血管领域影响的认知度不高有关，因此，需要我们进一步认识其在病理生理过程中的重要作用，并加快在心血管领域中的研究，以便为心血管系统的诊断和治疗提供更多的科研依据和思路。