運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)蛋白質(zhì)磷酸化與乙酰化交互作用與能量代謝研究進(jìn)展

梁德歡 牛燕媚

天津醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院康復(fù)醫(yī)學(xué)系（天津300070）

機(jī)體是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，蛋白質(zhì)是執(zhí)行其正常功能的基本單位。蛋白質(zhì)的表達(dá)和功能接受來(lái)自基因、表觀遺傳、翻譯后修飾（post-translational modifications，PTMs）等多個(gè)層面的調(diào)控。其中PTMs是指將修飾基團(tuán)（如磷酸基、乙?；?、甲基等）添加到蛋白質(zhì)的特定氨基酸殘基上[1]。作為一種動(dòng)態(tài)可逆的蛋白質(zhì)功能調(diào)節(jié)方式，因其代謝成本低、反應(yīng)迅速，PTMs成為豐富生物體蛋白功能多樣性的重要途徑[2]。PTMs可賦予蛋白質(zhì)新的特性，包括調(diào)節(jié)酶活性、亞細(xì)胞定位、蛋白質(zhì)相互作用、蛋白質(zhì)穩(wěn)定性、DNA親和力等[3]。目前，相關(guān)蛋白組學(xué)研究已發(fā)現(xiàn)超過(guò)200多種PTMs 方式，如磷酸化、乙酰化、糖基化、泛素化[4，5]。這些PTMs 在不同的細(xì)胞中應(yīng)答不同的刺激，進(jìn)而調(diào)控蛋白質(zhì)的活性和功能。其中磷酸化和乙酰化是最為常見(jiàn)的兩種PTMs，廣泛發(fā)生于各類(lèi)細(xì)胞生命活動(dòng)中，對(duì)機(jī)體代謝調(diào)控具有重要意義，其水平的異常將直接影響蛋白質(zhì)含量以及功能的執(zhí)行，從而導(dǎo)致相應(yīng)疾病的發(fā)生。

PTMs 交互作用（PTMs crosstalk）是指在同一蛋白質(zhì)或不同蛋白質(zhì)之間發(fā)生的多種PTMs可以相互影響，并協(xié)調(diào)蛋白最終的功能[1]。在生物體內(nèi)，蛋白質(zhì)PTMs種類(lèi)繁多，分為可逆和不可逆兩種方式，其中可逆的修飾，如磷酸化、乙?；龋矢叨葎?dòng)態(tài)變化，以幫助細(xì)胞適應(yīng)內(nèi)部生理狀態(tài)和外部環(huán)境的變化。此時(shí)，蛋白質(zhì)的各種PTMs并非孤立存在，即同一個(gè)蛋白質(zhì)可以發(fā)生多種PTMs，且不同的PTMs彼此相互影響；或者不同蛋白之間的PTMs也可以交互應(yīng)答，進(jìn)一步促使機(jī)體形成復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)[4，6，7]。PTMs 交互作用的重要性已經(jīng)在各種細(xì)胞活動(dòng)中得到證實(shí)，如轉(zhuǎn)錄調(diào)控、蛋白質(zhì)穩(wěn)定性調(diào)節(jié)等[1]。此外，以往研究也發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)PTMs 之間交互作用的改變可能與許多慢性疾病有關(guān)，如腫瘤、神經(jīng)退行性疾病、心血管疾病、糖尿病等[8]。

運(yùn)動(dòng)作為一種常見(jiàn)的外界刺激，可以調(diào)節(jié)多種蛋白質(zhì)PTMs，如磷酸化[9]、乙?；痆10]。運(yùn)動(dòng)干預(yù)可以調(diào)節(jié)機(jī)體的能量代謝，是臨床上預(yù)防和治療代謝性疾病的重要方式。PTMs 交互調(diào)控與機(jī)體的生理或病理過(guò)程密切相關(guān)，因此，運(yùn)動(dòng)是否可以通過(guò)誘導(dǎo)其作用來(lái)調(diào)節(jié)代謝相關(guān)蛋白功能并改善機(jī)體能量代謝紊亂便成了學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)。鑒于上述，本文以常見(jiàn)的蛋白質(zhì)乙?；土姿峄癁槔?，探討兩者交互作用對(duì)機(jī)體能量代謝的調(diào)控以及運(yùn)動(dòng)對(duì)此過(guò)程的影響，以期為運(yùn)動(dòng)治療代謝性疾病提供新思路。

1 蛋白質(zhì)磷酸化和乙酰化

蛋白質(zhì)磷酸化和乙?；巧矬w內(nèi)兩種保守的可逆的翻譯后修飾方式，已經(jīng)被廣泛研究。其中，蛋白磷酸化是指由蛋白激酶（protein kinase，PK）將ATP 或GTP的磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到底物蛋白的氨基酸殘基上的過(guò)程，此過(guò)程可被蛋白磷酸酶（protein phosphatase，PPase）催化逆轉(zhuǎn)，后者被稱(chēng)為蛋白質(zhì)去磷酸化。作為存在最為廣泛的蛋白質(zhì)PTM，磷酸化/去磷酸化這種動(dòng)態(tài)的開(kāi)關(guān)機(jī)制幾乎在所有生物的生命活動(dòng)中都扮演著重要的角色，例如信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、基因轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)合成、細(xì)胞增殖分化與凋亡、代謝調(diào)控、腫瘤發(fā)生等[5，11]。

而蛋白質(zhì)乙?；畛Ｒ?jiàn)的是賴(lài)氨酸乙酰化，它是在賴(lài)氨酸乙酰轉(zhuǎn)移酶（lysine acetyltransferases，KATs）的作用下把乙?；鶊F(tuán)共價(jià)結(jié)合到底物蛋白的賴(lài)氨酸殘基上，此過(guò)程可被賴(lài)氨酸去乙?；福╨ysine deacetylases，KDACs）拮抗[12，13]，后者被稱(chēng)為去乙酰化。乙酰化/去乙?；揎棌V泛發(fā)生在細(xì)胞核、細(xì)胞質(zhì)和線(xiàn)粒體內(nèi)的蛋白質(zhì)上，并參與調(diào)節(jié)表觀遺傳調(diào)控、基因轉(zhuǎn)錄、細(xì)胞生存、mRNA 剪接、能量代謝、自噬等重要過(guò)程[12，14，15]。同時(shí)，研究證實(shí)賴(lài)氨酸乙?；降母淖兣c許多疾病密切相關(guān)，如糖尿病、癌癥、心血管疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等[7，12]。

2 運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)蛋白質(zhì)磷酸化和乙?；换プ饔?/h2>

作為一種常見(jiàn)的外界干預(yù)，運(yùn)動(dòng)或肌肉收縮可以廣泛調(diào)節(jié)細(xì)胞蛋白質(zhì)磷酸化和乙?；癄顟B(tài)。例如，有研究對(duì)小鼠跑步運(yùn)動(dòng)模型和大鼠肌肉收縮模型的骨骼肌進(jìn)行磷酸化蛋白組學(xué)檢測(cè)，篩查出大量磷酸化位點(diǎn)，說(shuō)明運(yùn)動(dòng)可以直接調(diào)控蛋白磷酸化[9]。而對(duì)骨骼肌蛋白進(jìn)行GO（Gene Ontology）分析后，研究還發(fā)現(xiàn)耐力訓(xùn)練可誘導(dǎo)細(xì)胞組蛋白H3乙?；斤@著上調(diào)，并伴有參與肌肉生長(zhǎng)、應(yīng)激反應(yīng)、新陳代謝等生命活動(dòng)的基因表達(dá)增加[16]。

在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，蛋白質(zhì)磷酸化和乙?；揎椷^(guò)程不僅普遍存在，而且兩者極可能存在交互應(yīng)答，以協(xié)同作用或拮抗作用來(lái)影響蛋白質(zhì)功能。例如，McGee 等發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)可誘導(dǎo)磷酸化依賴(lài)性組蛋白去乙?；福℉DAC，histone deacetylase）出核，增加組蛋白乙?；絒17]；且通過(guò)蛋白組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)小鼠中的428個(gè)線(xiàn)粒體蛋白質(zhì)中，有73 個(gè)蛋白質(zhì)發(fā)生磷酸化，85 個(gè)蛋白質(zhì)發(fā)生乙酰化，其中25個(gè)蛋白質(zhì)存在兩種修飾方式[18]；此外，運(yùn)動(dòng)還可誘導(dǎo)丙酮酸脫氫酶（Pyruvate dehydrogenase，PDH）出現(xiàn)乙?；土姿峄淖僛19]。以上研究均提示，在運(yùn)動(dòng)或肌肉收縮過(guò)程中，蛋白磷酸化與乙?；揎椊换ナ谴嬖谇冶匾?。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的蛋白磷酸化和乙?；换ナ清e(cuò)綜復(fù)雜的。以腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine monophosphate- activated protein kinase，AMPK）為例，AMPK 是細(xì)胞能量代謝的感受器和調(diào)節(jié)器[20]，在運(yùn)動(dòng)適應(yīng)過(guò)程中常常被激活。在禁食或運(yùn)動(dòng)后，由于血糖下降、糖原分解增加，骨骼肌轉(zhuǎn)向脂肪酸代謝為主。而在此代謝適應(yīng)過(guò)程中，骨骼肌細(xì)胞AMPK 被激活，上調(diào)去乙酰化酶SIRT1，繼而使AMPK的下游蛋白發(fā)生去乙?；?，如過(guò)氧化物酶體增殖物活化受體-γ共激活因子-1α（Peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator -1α，PGC-1α）和叉頭框轉(zhuǎn)錄因 子（Forkhead box O，F(xiàn)OXO）。PGC-1α 和FOXO 各自鄰近的磷酸化位點(diǎn)和乙酰化位點(diǎn)發(fā)生修飾交互作用，共同激活蛋白，最終促進(jìn)線(xiàn)粒體脂質(zhì)氧化基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)[15，21-23]。除SIRT1外，研究還發(fā)現(xiàn)乙?；窹300 和去乙?；窰DAC1 也可以調(diào)節(jié)AMPK 乙酰化水平，而且當(dāng)能量限制時(shí)，HDAC1激活而P300抑制，使AMPK 發(fā)生去乙?；?，促進(jìn)AMPK 與其上游激酶LKB1結(jié)合，進(jìn)而導(dǎo)致AMPK磷酸化激活[24]，調(diào)節(jié)其下游一系列信號(hào)通路。此外，AMPK 還可以作為表觀遺傳調(diào)節(jié)因子，調(diào)節(jié)組蛋白修飾狀態(tài)。首先，AMPK可以誘導(dǎo)組蛋白發(fā)生磷酸化，包括組蛋白H1、H2、H3；其次，AMPK 通過(guò)抑制HDACs 促進(jìn)組蛋白乙?；痆13，15，25]。而在真核生物中，組蛋白H3 會(huì)出現(xiàn)乙?；土姿峄换ィ謩e發(fā)生在第9、27 位點(diǎn)賴(lài)氨酸（K9、K27）與第10、28位點(diǎn)絲氨酸（S10、S28）殘基上[13]，進(jìn)而影響組蛋白活性，調(diào)控基因的表達(dá)。

具有運(yùn)動(dòng)模擬效應(yīng)的藥物也間接證明了運(yùn)動(dòng)可以誘導(dǎo)兩者交互作用。HDACs抑制劑可以模擬運(yùn)動(dòng)效應(yīng)[26]，在給予Ⅰ和Ⅱ型HDAC 抑制劑TSA 后，有研究發(fā)現(xiàn)癌細(xì)胞受體酪氨酸激酶的磷酸化增加，提示賴(lài)氨酸乙?；屠野彼崃姿峄g可能存在交互[27]。而在心肌研究中，研究發(fā)現(xiàn)HDACs 抑制劑治療心衰可能與蛋白磷酸化和乙酰化交互有關(guān)，即組蛋白和其他蛋白的乙酰化修飾在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能中具有重要作用，并引起某些蛋白磷酸化水平改變[28]。一方面，HDACs 抑制劑通過(guò)組蛋白乙酰化修飾來(lái)誘導(dǎo)磷酸酶表達(dá)，導(dǎo)致蛋白磷酸化下降，如Ⅰ類(lèi)HDAC 抑制劑誘導(dǎo)磷酸酶DUSP5（dual-specificity phosphatase 5）表達(dá)，進(jìn)而使激酶ERK1/2（extracellular signal-regulated kinase 1/2）去磷酸化來(lái)減少心肌損傷[29]。另一方面，乙?；揎椡ㄟ^(guò)直接調(diào)節(jié)蛋白激酶活性來(lái)改變磷酸化修飾，如蛋白激酶p38 MAPK 在K152、K53[30]以及磷酸酶DUSP1 在K57[31]位點(diǎn)分別發(fā)生乙酰化并影響其活性。另外，運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)增加DUSP5的表達(dá)來(lái)影響ERK1/2信號(hào)，進(jìn)而調(diào)節(jié)骨骼肌的肌肉適應(yīng)[32]。因此，運(yùn)動(dòng)可能與HDACs抑制劑相似，可以通過(guò)蛋白質(zhì)乙?；土姿峄换プ饔脕?lái)影響蛋白質(zhì)功能。

綜上，蛋白質(zhì)磷酸化和乙?；换テ毡榘l(fā)生于細(xì)胞活動(dòng)中，增加了兩種翻譯后修飾功能的復(fù)雜程度。同時(shí)，運(yùn)動(dòng)可以誘導(dǎo)蛋白質(zhì)在某些氨基酸位點(diǎn)上發(fā)生磷酸化和乙?；换?，使細(xì)胞可以更快速并精準(zhǔn)適應(yīng)外界刺激。

3 蛋白質(zhì)磷酸化和乙?；换プ饔门c能量代謝

乙?；土姿峄羌?xì)胞中兩種高頻率的PTMs，廣泛發(fā)生于不同的細(xì)胞場(chǎng)所，包括細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞核以及線(xiàn)粒體。其中，線(xiàn)粒體作為真核細(xì)胞能量代謝的主要場(chǎng)所，參與葡萄糖、脂肪酸、氨基酸等能量底物的分解與合成代謝，對(duì)細(xì)胞ATP 生成至關(guān)重要。修飾組學(xué)技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步幫助我們了解這兩種修飾及其交互對(duì)能量代謝的潛在意義。動(dòng)物和植物的磷酸化組學(xué)和乙酰化組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，大量線(xiàn)粒體蛋白能同時(shí)被磷酸化或乙酰化，且兩種修飾存在密切聯(lián)系，兩者交互可能通過(guò)ATP（磷酸化）和乙酰輔酶A（乙?；┐x調(diào)節(jié)細(xì)胞能量代謝[18，33，34]。此外，與線(xiàn)粒體表達(dá)或功能相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子也間接證明磷酸化與乙?；换サ闹匾饔?。例如，研究發(fā)現(xiàn)線(xiàn)粒體轉(zhuǎn)錄因子A（mitochondrial transcription factor A，TFAM）的磷酸化和乙?；换タ梢詤f(xié)調(diào)TFAM 和DNA 的結(jié)合[35]，進(jìn)而維持線(xiàn)粒體DNA的穩(wěn)定。

從物質(zhì)代謝角度來(lái)看，蛋白磷酸化和乙?；换プ饔每梢哉{(diào)節(jié)糖類(lèi)代謝途徑。例如，研究發(fā)現(xiàn)參與糖原代謝的關(guān)鍵酶糖原磷酸化酶（Glycogen phosphorylase，GP）發(fā)生賴(lài)氨酸乙?；螅瑢⒋龠M(jìn)其發(fā)生去磷酸化，進(jìn)而抑制酶活性[36]。又例如參與糖異生的磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（phosphoenolpyruvatecarboxykinase，PCK）可以發(fā)生磷酸化和乙酰化交互作用，調(diào)節(jié)酶活性，從而促進(jìn)回補(bǔ)反應(yīng)并抑制糖異生[37]。有意思的是，PCK 磷酸化和乙?；慕换プ饔靡资苣芰抗?yīng)影響，即高糖和低糖環(huán)境對(duì)PCK 的此兩種修飾的調(diào)節(jié)不同[37]。除代謝酶外，胰島素受體底物（insulin receptor substrate，IRS）的賴(lài)氨酸乙?；欣诶野彼岚l(fā)生磷酸化，使IRS結(jié)合并激活下游效應(yīng)物，促進(jìn)胰島素誘導(dǎo)的信號(hào)傳導(dǎo)[38]，最終調(diào)節(jié)機(jī)體葡萄糖代謝。

蛋白磷酸化和乙?；换プ饔靡嗫烧{(diào)節(jié)脂代謝通路。例如，蘋(píng)果酸酶（malic enzyme，ME）可以分別在S336和K337發(fā)生磷酸化和乙?；疫@兩種修飾相互抑制，影響脂質(zhì)代謝[39]。而其他位點(diǎn)，如K140 和S280也出現(xiàn)類(lèi)似的拮抗作用：ME 在K140 發(fā)生乙?；髸?huì)增加酶活性，S280發(fā)生磷酸化會(huì)降低酶活性，而此兩位點(diǎn)同時(shí)發(fā)生修飾的ME 酶活性與正常ME 相同[40]。另外，轉(zhuǎn)錄因子如PGC-1α活性由PTMs 調(diào)節(jié)，運(yùn)動(dòng)、營(yíng)養(yǎng)限制、瘦素等可以誘導(dǎo)PGC-1α發(fā)生磷酸化和乙酰化交互作用，增強(qiáng)其活性，促進(jìn)脂肪氧化[21，41]。

綜上，蛋白質(zhì)磷酸化與乙?；换プ饔貌粌H可以調(diào)節(jié)代謝相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子活性，還可以直接調(diào)節(jié)代謝酶活性，因此在細(xì)胞能量代謝中具有重要作用。

4 小結(jié)

近些年來(lái)的研究揭示蛋白質(zhì)磷酸化和乙?；皇菃我还铝⒌男揎椷^(guò)程，它們之間存在復(fù)雜且精確的聯(lián)系。此外，磷酸化和乙?；换プ饔蔑@著影響了蛋白質(zhì)的活性、結(jié)構(gòu)或者功能，進(jìn)而調(diào)控細(xì)胞的生命活動(dòng)。運(yùn)動(dòng)作為一種常見(jiàn)的細(xì)胞外刺激，可以影響蛋白質(zhì)翻譯后修飾網(wǎng)絡(luò)。回顧過(guò)去研究，我們發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)磷酸化和乙?；换プ饔谜{(diào)節(jié)蛋白質(zhì)功能，進(jìn)而影響機(jī)體的能量代謝。雖然對(duì)蛋白質(zhì)PTMs 交互作用的鑒定引起了人們極大興趣，但這是一個(gè)復(fù)雜且多層面的問(wèn)題，并且有許多問(wèn)題亟待解決，如蛋白PTMs 交互的具體位點(diǎn)及其交互機(jī)制。因此，進(jìn)一步深入研究運(yùn)動(dòng)背景下蛋白乙?；土姿峄g的相互作用，不僅可以加深對(duì)蛋白功能調(diào)控的認(rèn)識(shí)，還有助于今后在預(yù)防和治療各種代謝性疾病中開(kāi)展運(yùn)動(dòng)療法。