【修饰篇】异戊烯化修饰蛋白的生物学功能

生物体在数十亿年的进化过程中,已经发展出来大量的翻译后修饰种类,以扩大和提高蛋白质功能的复杂性,以应队复杂的外部刺激和内部调整。异戊烯类脂质体对于真核蛋白质的修饰,即所谓的异戊烯修饰,控制着蛋白质定位和活性等一系列在生物调控的重要功能。 异戊烯化修饰蛋白在不同物种之间比较保守,这就突出了脂质修饰途径在生物学和进化过程中的重要性。蛋白异戊烯修饰基于基因抑制以及药理学的抑制剂的相关机制,已经在不同细胞过程和疾病病理学方面深入研究。

大部分异戊烯化蛋白是CAAX蛋白,异戊烯修饰通常是通过蛋白法酰基转移酶(FTase)或者蛋白香叶酰基转移酶(GGTase I)分别将C15(法酰基)或者C20(香叶酰基)链接在半胱氨酸(Cys)残基上。 这个酶促反应如果是有法尼基参与,那么就是法尼酰化修饰,如果是香叶酰基参与,那么就是香叶酰化修饰。然后,蛋白可以被Ras-转换内肽酶1(RCE1)进一步加工,它去除-AAX残基,随后是异戊基半胱氨酸甲基转移酶(ICMT),它在异戊烯修饰的羧基末端加上一个甲基集团的帽子。(如图1所示)

图1

异戊烯化蛋白有具有一个疏水的C端,这就会大大增加与具有细胞膜上信号分子相互作用的能力。异戊酰基序和单个CAAZ蛋白序列和结构,共同决定了蛋白质的离散定位,可以是质膜的某个特定区域,也可以是在内膜,甚至是细胞的胞质中的某个位置。这些蛋白质C末端的修饰会影响它们的许多功能,并将其定位于细胞的不同区域,包括促进特定的蛋白质-蛋白质相互作用和调节蛋白质的稳定性。异戊烯修饰蛋白在信号通路中的反应能力,以及它们在各种疾病过程中的重要作用,越来越促使人们努力阐明异戊烯修饰化的生化过程及其对蛋白生徐学功能的影响。

异戊烯化修饰的生物学功能

蛋白质转运 每个CAAX蛋白的独特结构和异戊烯修饰的结合赋予了每个蛋白一种对其膜转运和细胞定位功能的特征。蛋白异戊烯化在蛋白质-蛋白质相互作用中,涉及CAAX蛋白的的的转运作用,如图2所示。

在不同膜结构之间以及膜和胞质之间的运输,是大多数异戊烯化修饰蛋白生命周期汇总不可分割的一部分,因为它们首先在胞质中被修饰,然后转移到在内质网中,而他们它们的功能位点通知是在细胞膜上。转运过程可以通过几个结合物质或者伴侣来促进。对于RHO GTPase家族来说,香叶酰基修饰是与一组称为RHO GDIs的蛋白相互作用,从而影响其RHO家族的定位以及GTP结合特异性和活性,如图2a所示。

图2a

除了广泛研究RHO蛋白与异戊烯修饰蛋白的相互作用,RAS蛋白与异戊烯修饰蛋白磷酸二酯酶PDEδ互作,引起了所有人的注意。PDEδ调控RAS蛋白和其他一些异戊修修饰蛋白的释放与定位,如图2b所示。

图2b

蛋白异戊烯修饰的细胞学作用 除了前面讨论的蛋白异戊烯修饰,法尼基酰化反应也因为法尼酰化蛋白RAS在癌变中的重要作用而走到诸多科学家的视野之中。虽然现在认识到的NRAS和KRAS蛋白可以被香叶酰基化,且RAS家族蛋白并不是唯一的癌症疾病中扮演重要角色的蛋白。异戊烯化蛋白调控CAAX蛋白的功能是通过研究FTase抑制RAS蛋白的信号通路过程中发现的。

RCE-1蛋白水解的影响 在小鼠中通过基因干扰手段,发现RCE-1蛋白是唯一可以水解大部分的CAAX蛋白。去除异戊烯化蛋白3个半胱氨酸残基,对于发育至关重要。缺乏RCE-1蛋白的存在,小鼠在妊娠后期或者产后第一周内死亡,没有明显的器官发育缺陷。随着RCE-1在特定组织(最明显的是心脏)中的缺失,小鼠在幼龄时期发生扩张型心肌病,10个月后死亡。

ICMT甲基化催化作用的影响 基因干扰实验表明,ICMT是催化异戊烯化作用蛋白羧基化的唯一酶。ICMT是小鼠发育的重要基因;缺乏ICMT的动物在胚胎时期11.5天左右死亡。尽管除了肝脏发育的轻微缺陷,其他脏器和部位很少发现有缺陷。令人惊讶的是,缺乏ICMT的小鼠比缺乏RCE-1的小鼠在发育过程中死亡更早,因为在CAAX蛋白的加工过程中,RCE-1的功能优先于ICMT,如图1所示。一种可能的解释是ICMT除了能甲基化CAAX蛋白还能甲基化一组预算异戊烯化RAB蛋白。另一种可能解释是,对于某些蛋白质调控或者膜调节功能方面来说,AAX的残基延伸可能比带负电荷的未甲基化羧酸更耐受。

调控蛋白异戊烯修饰已经被认为是治疗人类疾病的一种方法,下面是和其相关的一些领域。

癌症与炎症 RAS蛋白是在肿瘤发生和发展中研究最为透彻的原癌基因。RAS蛋白很难直接作为目标,这是由于它与GTP的高度亲和性以及它的核心功能域与其他GTPase的相似之处。因此异戊烯化调节RAS的功能作用的发现,为FTase抑制剂药物的发展产生的巨大的激励作用。

衰老 蛋白的异戊烯修饰对于衰老过程中可能有作用,例如在细胞和小鼠中,以CAAX蛋白prelamin A异常加工和后续的积累,可以通过异戊烯化修饰处理从而大大的减轻。laminA蛋白的成熟类似典型的法尼基化CAAX蛋白,有三步连续的修饰过程。然而,成熟的最后一步涉及到由蛋白酶ZMPSTE24去除C末端的15个氨基酸肽,这就是蛋白异戊烯化过程,如图3a。研究最为透彻的一种疾病是早老综合征(HPGS),是因prelamin A的基因突变,导致选择性剪接,从而导致ZMPSTE24识别位点丢失。更严重的早衰症是由于基因突变导致ZMPSTE24的诱导活动丧失而引起的,如图3b。

图3a/b

其他疾病 一些研究表明,特定的GTPase包括RAS和RHO蛋白亚家族成员,在突出可塑性的调节中起着重要的作用。另一个关注研究的领域是传染疾病,丙型肝炎病毒(HCV)的复制可以通过抑制异戊烯化作用来减弱,这表明HCV在肝癌细胞中的复制需要GTPase I作为底物,因此靶向异戊烯修饰研究,也是一种对抗HDV和其他一些热带疾病的研究策略。

通过几十年的研究,我们对于蛋白发生异戊烯化修饰的过程中参与的酶有了较好的了解。关注的焦点已经转移到每一个CAAX蛋白活性调节上面,在这方面,辨别出CAAX蛋白,并研究出抗肿瘤的FTase,GTPase和ICMT的抑制药物。那么搞清楚这一过程十分复杂,不仅因为中间涉及了许多信号通路,还因为CAAX蛋白必须存在于特定的细胞区域,削弱CAAX蛋白并不是清除是一种已经被证明的有效靶向癌症的手段。

客户发表文献原文链接:Protein prenylation: unique fats make their mark on biology
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