赖氨酸琥珀酰化修饰与疾病的研究进展

蒙婷 徐丹 李争 荆晶 李风森

[摘要]赖氨酸琥珀酰化修饰是一种新型蛋白质翻译后修饰，在组蛋白中被发现，普遍存在于所有原核和真核生命体的细胞质和细胞核中，参与并调控几乎所有生命体的生物过程，与疾病密切相关。本文综述了赖氨酸琥珀酰化的特点、修饰位点的分布以及主要影响因素，归纳了 SIRT5调控琥珀酰化参与疾病发生发展的多种代谢途径，为进一步探索疾病的发病机制提供基础。

[关键词]赖氨酸琥珀酰化;代谢;线粒体; SIRT5;疾病

[中图分类号] R730.2  [文献标识码] A   [文章编号]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

蛋白質翻译后修饰（protein post-translational modification， PTM）普遍存在于各种原核和真核生物中，参与各种生命活动并发挥重要作用[1]。常见的 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]。由于琥珀酰化修饰在生物进化中比较保守，几乎涉及生物体的所有生物学过程。所以与其他 PTM 相比较，能够引发更多的蛋白质理化性质和功能的改变[3]。随着质谱技术的不断发展，研究发现[4]琥珀酰化参与了众多生物学过程，如氧化过程、代谢调节、信号转导等，与人类多种疾病的发生发展密切相关，是近年来研究的热点。

1赖氨酸琥珀酰化的特点

琥珀酰化修饰属于酸性酰基化修饰。因为琥珀酸酰基团空间结构较大与氨基酸残端结合会导致蛋白结构发生显著的改变，所以琥珀酰化修饰对蛋白质特性的影响更大。众多研究表明[4-5]琥珀酰化修饰在生物体中广泛存在，参与细胞代谢调控等多种生物学过程，因参与对染色质及其下游基因的表达调控，作为一种发生于组蛋白上的标志，被表观遗传学频繁报道。

1.1琥珀酰化修饰位点的分布

赖氨酸琥珀酰化广泛分布在细胞质和细胞核中。在细胞质中主要发生在线粒体上，在细胞核中，>1/3的核小体中存在赖氨酸琥珀酰化的修饰。研究发现琥珀酰化与乙酰化的修饰位点有广泛的重叠[6]。重叠的修饰位点倾向于发生在β片层结构和α螺旋区域，可能位于极性酸性/碱性氨基酸区，并暴露在蛋白质的表面[7]。大部分琥珀酰化位点在处于中心代谢途径的蛋白上，通过改变蛋白质结构而影响到所修饰蛋白质的性能，因为发生琥珀酰化修饰的蛋白几乎涉及生命体所有的代谢途径，参与多种生物学过程[8]，所以已成为生命科学领域研究的热点。

1.2调控琥珀酰化修饰相关的酶

有研究认为琥珀酰化修饰是以一种非酶的化学反应的形式发生，而众多研究证实琥珀酰化修饰的发生是一种酶促反应，但也不能排除少量的非酶促反应[9-10]。所有目前大多数研究仍提出琥珀酰化修饰水平主要受琥珀酰基转移酶及琥珀酰基供体、去琥珀酰化酶的调控。其中琥珀酰基转移酶、琥珀酰基供体对琥珀酰化修饰发挥正向调控作用，去琥珀酰化酶对琥珀酰化修饰发挥负向调控作用[11]。

1.2.1琥珀酰基转移酶目前普遍认为广义上的组蛋白乙酰转移酶兼具催化其他酰基化修饰反应的能力。通过文献查阅总结，目前常见的琥珀酰转移酶主要有 P300、KAT2A、GCN5、CPT1A。①因 P300能够催化酰基化修饰的广泛发生，除了具有乙酰转移酶活性外，还具有催化赖氨酸的丙酰化、丁酰化、巴豆酰化、p-羟丁基化、琥珀酰化以及戊二酰化等修饰能力[12]。②有研究发现琥珀酰转移酶活性-缺陷型 KAT2A Y645A 的表达降低了 H3K79的琥珀酸化和14-3-3ζ的表达，KAT2A 介导的14-3-3ζ和β-catenin 的表达促进了上皮间充质转化的 PDAC 细胞的糖酵解、细胞增殖、迁移和侵袭。揭示了 KAT2A 介导的组蛋白琥珀酸化促进肿瘤细胞增殖和侵襲中的新作用[13]。③ GCN5被报道[14]可催化组蛋白的琥珀酰化修饰，与α-KGDH 复合物在启动子区的组蛋白 H3上共定位。研究通过催化α-酮戊二酸生成琥珀酰辅酶 A，提高了琥珀酰辅酶 A 在 GCN5处的局部浓度，可促进组蛋白 H3K79位点上的琥珀酰化修饰，促进细胞增殖和肿瘤发生。④ CPT1A 可调控底物蛋白及相关代谢过程，在体内外均可发挥琥珀酰基转移酶作用。在胃癌的研究中发现 CPT1A 可作为赖氨酸琥珀酰转移酶与 S100A10相互作用，促进胃癌的侵袭和迁移[15]。

1.2.2琥珀酰基供体目前普遍研究认为琥珀酰辅酶 A 是琥珀酰基的主要供体，其浓度影响琥珀酰化水平。琥珀酰辅酶 A 绝大部分在线粒体中生成，并可通过线粒体膜进入细胞质基质，少部分在线粒体外生成[1-3]。也有研究[16]发现丙烯-酮戊二酸脱氢酶复合物可作为一种反式琥珀酸酶，介导以丙烯-酮戊二酸依赖型方式进行琥珀酰化。

1.2.3去琥珀酰化酶在真核生物琥珀酰化修饰的研究中，Sirtuin家族蛋白提到的相对较多。其中 SIRT5和 SIRT7是目前已知的负向调控琥珀酰化的酶。SIRT5主要定位在线粒体中，也存在于细胞质和细胞核中，因其特殊的结构和对某些氨基酸的特异性识别，而具有强大的去琥珀酰化的活性，目前研究较多且与细胞能量代谢密切相关[17]。SIRT7主要存在于细胞核和细胞质中，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对较弱。因其研究目前较少，所以至今尚未发现 SIRT7去琥珀酰化的非组蛋白底物。

2赖氨酸琥珀酰化的调控

研究表明赖氨酸琥珀酰化修饰在生物界中广泛存在，而大多数的琥珀酰化修饰发生在线粒体内，与线粒体的能量代谢密切相关，参与并调控 TCA、氨基酸代谢以及脂肪酸代谢在内的多个代谢信号通路[18]。

2.1糖酵解、三羧酸循环

有研究表明当 TCA 循环代谢出现问题可导致琥珀酰赖氨酸在染色质中的分布，与基因转录反应相关。染色质琥珀酰化可能是代谢调节全基因组转录和 DNA 修复活动的机制[19]。

2.2脂肪酸氧化

有研究发现[20]蝙蝠线粒体蛋白的琥珀酰化和丙二酰化水平较高，SIRT5调控了蝙蝠的关键产热蛋白 UCP1。UCP1中两个琥珀酰化赖氨酸突变可显著降低其稳定性和活性。SIRT5缺失的蝙蝠中 UCP1发生琥珀酰化修饰，其蛋白功能的降低可导致线粒体呼吸功能受损，出现线粒体吞噬功能缺陷和代谢紊乱。

2.3呼吸链、电子传递链

有研究发现[21]SIRT5通过与心磷脂的亲和力来促进呼吸链功能，从而靶向于线粒体内膜上的蛋白质复合物。SIRT5缺失的 HEK293细胞在复合物Ⅰ和复合物Ⅱ驱动呼吸中均表现出缺陷。在小鼠肝脏中，SIRT5缺失的肝脏表现出复合物Ⅱ驱动呼吸减少，复合物Ⅱ和 ATP 合成酶的活性也明显降低。SIRT5靶向赖氨酸残基几个位于琥珀酸脱氢酶 B 亚基 B 的蛋白质-脂质界面上。这些位点的琥珀酰化可能会破坏复杂的Ⅱ亚基与亚基的相互作用和电子转移。

2.4酮体形成

有研究[22]在 SIRT5敲除的动物肝脏线粒体中鉴定到1190个琥珀酰化位点，SIRT5在体内和体外速率的调节可以限制 HMGCS2的琥珀酰化。 HMGCS2上的高琥珀酰化残基 K83和 K310突变为谷氨酸，可强烈抑制酶的活性。因此推测 SIRT5作为线粒体中赖氨酸琥珀酰化的全局调控因子，并通过 HMGCS2抑制酮生成。

2.5活性氧清除

研究发现[23]SIRT5敲除可导致细胞内 ROS 水平升高，SIRT5失活导致 IDH2和 G6PD 的抑制，是 NADPH 的产生减少，进而降低 GSH 的生成，削弱了清除 ROS 的抗氧化能力，使细胞对氧化应激的敏感性增加。揭示了 SIRT5通过促进 IDH2脱羧和 G6PD 脱谷氨酸化来调节细胞 NADPH 稳态和氧化还原电位。

3赖氨酸琥珀酰化与疾病的关系

琥珀酰化修饰在代谢酶和线粒体蛋白上高度富集，所以与线粒体相关疾病的研究较多。大量研究表明[24-26]琥珀酰化修饰通过调控疾病的相关重要蛋白或是调控过程中关键酶，对疾病的发生与发展起到关键作用。

3.1结核、炎症

张翠萍[27]发现 SIRT5缺失的巨噬细胞在 LPS 刺激下 NLRP3炎性小体活化水平上调，并且整合 NF-κB 和 AMPK 通路调控 IL-1β与 ROS 的产生。 Yang 等[8]对毒力Mtb菌株 H37Rv 进行了整体琥珀酰化分析，所鉴定的琥珀酰化蛋白参与多种生物过程，而赖氨酸琥珀酰化动态调节酶在细菌和人类细胞的碳代谢中起到重要作用。

3.2肿瘤

沈潮等[28]发现 SIRT5能去琥珀酰化 SHMT2，提升其酶活，并鉴定到第181位赖氨酸是 SHMT2的主要琥珀酰化位点。还发现高浓度的甲氨蝶呤（MTX）能通过抑制 SIRT5的表达，提升 SHMT2琥珀酰化水平，达到抑制肿瘤细胞增殖的目的。Sun 等[29]发现 SIRT5在卵巢癌组织中的表达比其在正常组织中的表达增加，SIRT5水平在顺铂耐药的卵巢癌细胞中也高于对顺铂敏感的 A2780细胞。SIRT5通过调控 Nrf2/HO-1通路，依赖 ROS 抑制顺铂诱导的 DNA 损伤。

3.3心臟

Bai 等[30]发现房颤组中最显著的下调蛋白因线粒体的存在而增多。心脏中琥珀酰辅酶 a 的浓度远高于其他任何器官。提出一种假说，琥珀酰化是一种新的潜在的调控心房颤动时心脏能量代谢的模型。Hershberger 等[31]发现 SIRT5敲除的小鼠中脂肪酸氧化和葡萄糖氧化的明显减少以及线粒体 NAD+/NADH 的整体减少，加速了心功能障碍的发展，揭示了 SIRT5调控的琥珀酰化起到维持心脏氧化代谢以确保生存的关键作用。

3.4肝脏

Du 等[32]采用基因编辑工具建立肝脏 SIRT5过表达和敲除小鼠模型，结果显示 SIRT5小鼠丙二酰化和琥珀酰化降低，改善细胞糖酵解，抑制糖异生，增强脂肪酸氧化，减轻肝脂肪变性。Nakagawa 等[33]发现 SIRT5定位于线粒体基质，并与磷酸氨基甲酰合成酶1相互作用，催化尿素循环的初始步骤，用于氨的解毒和处理，SIRT5通过激活 CPS1，在氨解毒和处置中起着关键作用。

3.5肺脏

Wang 等[34]发现香烟烟雾提取物（CSE）诱导 SIRT5在 K271和 K290处脱乙酰 FOXO3。转染 FOXO3 K271R-或 K290R-减弱的 CSE 诱导 SIRT5细胞凋亡，提示 SIRT5的保护作用是由 FOXO3介导的。相反，CSE 应激上调 SIRT5，激活 FOXO3，从而挽救细胞凋亡。提示 SIRT5是 CSE 诱导肺上皮细胞凋亡的决定因素之一。

3.6神经元

Gibson 等[35]的研究表明，KGDHC 可作为一种反式琥珀酸酶，抑制 KGDHC 可以减少培养神经元和神经元细胞系中多种蛋白的琥珀酰化，而 KGDHC 的多重作用对阿尔茨海默病很重要，推测琥珀酰化与神经系统疾病密切相关。

3.7年龄相关疾病

Zhang 等[36]对绝经后妇女琥珀酰化修饰位点和蛋白进行回顾性分析，结果表明琥珀酰化与衰老及年龄疾病相关。载脂蛋白 A-Ⅰ、载脂蛋白 A-Ⅱ、血红蛋白亚单位和结合珠蛋白对绝经后妇女骨质疏松和骨质减少的诊断和治疗有价值。

4小结

本文从多方面综述了琥珀酰化相关的研究进展，无论在动物、植物还是微生物，赖氨酸琥珀酰化是一种非常普遍的 PTM，遍及细胞的各个部位，与细胞的生命活动息息相关。同时赖氨酸琥珀酰化与多种疾病的发生发展密切相关。在研究最多的 SIRT5调控琥珀酰化与线粒体特异性的文献中表明[37]，琥珀酰化可能参与调控了许多以线粒体功能障碍为共同因素的疾病，而因与乙酰化位点的广泛重叠，这些发生共同修饰位点的蛋白，是否通过不同的代谢途径将共同的反应部位联系起来？亦或是共同促进某种调控将对疾病产生怎样的影响？仍有待于进一步去研究。

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（收稿日期：2021-02-25）