摘 要 糖尿病肾病(DN)是2型糖尿病最常见的并发症,发病机制复杂。蛋白翻译后修饰(PTM)是指蛋白质合成后通过共价键添加化学基团,从而改变其结构与功能的过程,包括乙酰化、丙二酰化、琥珀酰化、乳酸化等。关键蛋白的翻译后修饰,可影响细胞代谢重编程和关键信号通路,参与信号转导、周期调控和代谢调控等过程。越来越多的研究发现,多种PTM在DN肾脏固有细胞损伤、肾小管间质纤维化等病理过程中发挥重要作用。本文就PTM在DN发病机制中的研究进展作一综述。

关键词 翻译后修饰 糖尿病肾病 乙酰化 丙二酰化 琥珀酰化 乳酸化

Post-translational modification of proteins in diabetic nephropathy

ZHANGHuiyan,JIANGSong

NationalClinicalResearchCentreforKidneyDiseases,JinlingHospital,JinlingClinicalMedicalCollege,NanjingUniversityofChineseMedicine,Nanjing210016,China

ABSTRACT Diabetic nephropathy (DN) is the most prevalent complication of type 2 diabetes mellitus,and is characterized by a complex pathogenesis.Post-translational modifications (PTM) refer to the processes by which chemical groups are covalently added to proteins following synthesis,thereby altering their structure and function.These modifications include acetylation,malonylation,succinylation,lactylation,among others.The PTMs of key proteins can significantly influence cellular metabolic reprogramming and critical signaling pathways,participating processes such as signal transduction,cycle regulation,and metabolic regulation.An increasing body of research has demonstrated that multiple PTMs play significant roles in the pathological processes of DN,including injury to intrinsic renal cells and tubulointerstitial fibrosis.This article reviews the research progress regarding the relationship between PTM and DN.

Keywords post-translational modification   diabetic nephropathy acetylation malonylation   succinylation lactylation

糖尿病肾病(DN)是全球范围内导致慢性肾脏病(CKD)和终末期肾病(ESKD)的主要原因,也是我国最常见的肾脏疾病,其发病机制复杂。翻译后修饰(PTM)是指通过化学或酶促反应使蛋白质发生可逆或不可逆共价修饰的过程。目前发现的PTM包括乙酰化、丙二酰化、琥珀酰化和乳酸化等,这些修饰可通过改变关键蛋白的表达量或功能,从而调节多种细胞信号,动态调整细胞功能以响应环境变化。近年来,越来越多的研究显示,PTM在DN发病机制中发挥了重要作用,与DN肾脏固有细胞损伤和间质纤维化的发生发展密切相关[1-4]。DN的核心特征为糖脂代谢紊乱和线粒体功能障碍,而这四种修饰均直接参与细胞能量代谢的动态调控。因此,探索PTM或能为DN的诊断和治疗提供新的思路。本文结合文献就目前研究较多的乙酰化、丙二酰化、琥珀酰化修饰和乳酸化与DN的发病机制关系研究进展作一综述(图1)。

图1   蛋白质翻译后修饰涉及DN发生发展中的机制

DN:糖尿病肾病;Acetyl-CoA:乙酰辅酶A;KAT:赖氨酸乙酰转移酶;KDAC:赖氨酸去乙酰化酶;mTORC1:哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合体1;FOXO4:叉头框蛋白 O4;nephrin:肾小球裂孔膜蛋白;Malonyl-CoA:丙二酰辅酶A;KAT2A:赖氨酸乙酰转移酶2A;SIRT5:沉默调节蛋白5;FAO:脂肪酸氧化;GAPDH:甘油醛-3-磷酸脱氢酶;TNF-α:肿瘤坏死因子α;Succinyl-CoA:琥珀酰辅酶A;HSD17B10:17β-羟类固醇脱氢酶10;NOX4:还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶4;Lactyl-CoA:乳酰辅酶A;HDAC1-3:组蛋白去乙酰化酶1-3;MCT2:单羧酸转运蛋白2;LDH:乳酸脱氢酶

乙酰化是指在蛋白质的特定氨基酸残基(通常是赖氨酸)上添加-COCH3的过程。乙酰化修饰通过改变被修饰蛋白质的电荷分布或与其他蛋白的相互作用,发挥抑制或激活蛋白酶的活性,或影响蛋白作为转录因子的结合能力,或调节蛋白本身稳定性的作用[5]。乙酰化修饰分为酶促和非酶促两种方式。在某些细胞器(如线粒体)中,由于高pH值和高乙酰辅酶A(Acetyl-CoA)浓度,乙酰化可以通过非酶促机制发生[6]。而在大多数情况下,乙酰化是由赖氨酸乙酰转移酶(KAT)催化的,去乙酰化则由赖氨酸去乙酰化酶(KDAC)完成。

在细胞信号传导中,乙酰化可调节转录因子的活性,影响其核定位、稳定性和DNA结合能力。DNA损伤时,p53通过高度乙酰化来避免被MDM2泛素化并降解。此外,线粒体中的乙酰化水平与细胞代谢密切相关。SIRT3是线粒体中主要的去乙酰化酶,其活性与能量代谢状态密切相关,能调节脂肪酸氧化、三羧酸循环等代谢过程。乙酰化还可影响蛋白质的稳定性和聚集[7]。蛋白质N-末端乙酰化可提高蛋白间相互作用和折叠的热敏性,从而促进核糖体蛋白的稳定性。

干预关键蛋白乙酰化修饰的小分子化合物有望被应用于疾病治疗。组蛋白去乙酰化酶(HDAC)是一类能够去除蛋白质赖氨酸残基上乙酰基团的酶,与组蛋白乙酰转移酶(HAT)共同调控蛋白质的乙酰化状态。HDAC抑制剂如Vorinostat和Romidepsin通过抑制HDAC的活性,可改变基因表达模式,导致肿瘤细胞周期停滞和凋亡[8]。此外,KAT抑制剂,如A-485是目前最有效和特异性的p300抑制剂,对多发性骨髓瘤、前列腺癌等肿瘤细胞具有抑制作用。溴结构域抑制剂如JQ1和I-BET等化合物,可通过抑制溴结构域与乙酰化赖氨酸的结合,调节基因表达,已在多种癌症和炎症模型中显示出治疗作用[9]。

丙二酰化修饰是通过向蛋白质的赖氨酸残基添加丙二酰基团,改变蛋白质的电荷和空间结构,从而影响其功能。这种修饰主要由丙二酰辅酶A(Malonyl-CoA)提供丙二酰基团,通过去酰化酶SIRT5去除,而KAT2A是其重要的催化酶[10]。SIRT5能调节细胞质和线粒体中的蛋白质丙二酰化,其中糖酵解是其主要靶标。丙二酰化修饰通过影响糖酵解酶的活性,进而调节葡萄糖代谢。此外,丙二酰化修饰还与脂肪酸代谢密切相关。

丙二酰化修饰与心血管疾病的发生密切相关。研究表明,Malonyl-CoA在心血管疾病中通过调节脂肪酸氧化和线粒体功能,影响心肌细胞的代谢和功能[11]。AGO2在心肌细胞线粒体中的过表达可改善糖尿病诱导的心脏功能障碍;但糖尿病患者心肌细胞线粒体中的AGO2表达降低,且细胞质定位的SIRT3短亚型通过调控AGO2的丙二酰化修饰,减少AGO2向线粒体的转运[12],介导高糖情况下的心肌细胞损伤。丙二酰化修饰在肿瘤发生中发挥调控作用;抑制SIRT5的活性,可以增加乳腺癌细胞中丙二酰化修饰的水平,从而抑制肿瘤细胞的生长和转移[13]。

琥珀酰化修饰是将琥珀酰辅酶A(Succinyl-CoA)共价结合到蛋白质的赖氨酸残基上,从而改变蛋白质的电荷、结构和功能。琥珀酰化修饰可通过酶促反应或非酶促反应发生。非酶促反应主要依赖于Succinyl-CoA的浓度和细胞内的pH值。酶促琥珀酰化修饰则涉及多种酶,如赖氨酸乙酰转移酶2A(KAT2A)、琥珀酰辅酶A合成酶(SCS)和肉毒碱棕榈酰转移酶1A(CPT1A)等。这些酶通过催化Succinyl-CoA的转移,特异性地修饰蛋白质上的赖氨酸残基。此外,去琥珀酰化酶(如SIRT5)则可去除赖氨酸上的琥珀酰基团,调节蛋白质的功能。

琥珀酰化修饰在多种代谢途径中发挥重要作用,包括三羧酸循环、酮体生成、脂肪酸代谢和尿素循环等[14]。SIRT5可以介导线粒体3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A合成酶2(HMGCS2)的去琥珀酰化并促进酮体生成。此外,琥珀酰化修饰还与基因表达调控密切相关。研究表明,组蛋白琥珀酰化与基因表达水平呈正相关。在转录起始位点附近的琥珀酰化修饰可作为转录活性的标记[15]。如H3K79琥珀酰化被发现在转录调控相关基因启动子区域富集,促进了基因的转录。

琥珀酰化修饰在多种疾病的发生和发展中具有重要作用。在结直肠癌中,SIRT5通过去琥珀酰化激活线粒体苹果酸酶2(ME2),增强其酶活性,从而促进线粒体呼吸作用,介导细胞增殖和肿瘤生长[16]。琥珀酰化还可通过调节代谢酶的活性,增强肿瘤细胞对营养匮乏环境的适应能力。此外,琥珀酰化修饰还与神经退行性疾病相关。Deng等[17]研究发现,镉暴露可抑制SIRT5表达,进而增加与Ras相关的Rab-7A蛋白(RAB7A)琥珀酰化水平,阻断自噬体与溶酶体的融合,导致β淀粉样蛋白沉积和神经细胞死亡,加剧阿尔茨海默病样病理进程。

乳酸化修饰是指乳酸在细胞内转化为乳酰辅酶A(Lactyl-CoA)后,通过将乳酰基团添加到蛋白质赖氨酸残基上,从而改变蛋白质的结构与功能,并进一步调控基因表达和细胞行为的过程。乳酸化修饰不仅存在于组蛋白上,还广泛存在于非组蛋白中,涉及多种生物学过程,如转录调控、代谢重编程和炎症反应[18-19]。乳酸化修饰的形成与细胞内乳酸水平密切相关,其“写入”和“擦除”酶分别为p300和HDAC1-3等,这些酶通过催化乳酸化修饰的添加或去除,精细调控细胞内蛋白乳酸化水平。

在正常生理状态下,乳酸化修饰参与了胚胎发育、神经分化和骨形成等过程。研究表明,乳酸化可调节神经元的活动,影响神经元的兴奋性和突触传递[20]。此外,乳酸化修饰还与运动诱导的代谢变化、胰岛素抵抗及胚胎着床等生理过程相关。在病理状态下,乳酸化修饰的作用更为复杂。在肿瘤发生中,乳酸化修饰通过重塑肿瘤微环境、促进肿瘤细胞代谢重编程以及调控肿瘤相关基因的表达,加速肿瘤的进展和转移。如在肝细胞癌中,乳酸化修饰能够抑制腺苷酸激酶2的活性,从而促进肿瘤细胞的增殖和迁移[21]。

此外,乳酸化修饰与乙酰化、琥珀酰化等其他酰化修饰之间还存在广泛的交叉调控关系。研究发现,tRF-31R9J可通过与HDAC1结合,同时调节组蛋白乳酸化和乙酰化修饰,进而影响基因表达和细胞功能的机制[22]。这种交叉调控在细胞铁死亡和脂质代谢中发挥了重要作用。此外,乳酸化修饰还可能通过影响代谢酶的活性,间接调控细胞内的代谢网络。

高血糖可诱导肾组织中HAT活性增加,导致组蛋白乙酰化水平升高,从而促进炎症因子、氧化应激相关基因及细胞外基质蛋白的表达,加重肾脏损伤。研究表明,乙酰辅酶A合成酶2的激活导致H3K9乙酰化增加,进而影响raptor基因表达,介导哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合体1(mTORC1)通路激活,抑制足细胞的自噬功能,促进DN发生发展[3]。此外,DN患者肾脏中的HDAC4和HDAC5表达增加,进而通过去乙酰化作用抑制抗炎和抗氧化基因表达,加重肾脏炎症和氧化损伤[23]。

非组蛋白的乙酰化修饰同样在DN中发挥重要作用。SIRT1作为一种依赖NAD+的去乙酰化酶,在DN中表达下调,其活性降低导致叉头框蛋白O4(FOXO4)、过氧化物酶体增殖物激活受体r共激活因子1α(PGC-1α)等转录因子的去乙酰化不足,进而影响肾小球系膜细胞和肾小球内皮细胞的抗氧化防御机制和线粒体功能,促进氧化应激和细胞凋亡。高糖环境通过抑制去乙酰化酶,如SIRT1的活性,导致足细胞关键结构蛋白nephrin和podocin的过度乙酰化。这种修饰破坏足细胞骨架稳定性,降低裂孔隔膜完整性,增加蛋白尿[24]。此外,DN肾脏足细胞中SIRT3的活性降低,导致其对线粒体蛋白的去乙酰化功能受损,引起线粒体功能障碍和活性氧(ROS)过度产生。通过激活SIRT1或SIRT3,显著改善高糖情况下肾脏的氧化应激和炎症反应[25](表1)。

表1   PTM在DN发生发展中的作用

PTM:蛋白翻译后修饰;DN:糖尿病肾病;H3K9:组蛋白H3第9位赖氨酸;HDAC4:组蛋白去乙酰化酶4;HDAC5:组蛋白去乙酰化酶5;SIRT:沉默调节蛋白;GAPDH:甘油醛-3-磷酸脱氢酶;HSD17B10:17β-羟类固醇脱氢酶10;NOX4:还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶4;MCT2:单羧酸转运蛋白2;LdhA:乳酸脱氢酶A;LdhB:乳酸脱氢酶B;mTORC1:哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合体1;EMT:上皮-间充质转化

乙酰化修饰还与其他翻译后修饰存在交叉调控。HDAC1的乙酰化修饰可影响其去乙酰化酶活性,进而调节其他蛋白的乙酰化水平。这种修饰间的互作让乙酰化在DN中的作用更加复杂。此外,长链非编码RNA(lncRNAs)可以通过调节H3K27乙酰化水平,影响关键基因表达。例如,lncRNA-ZEB1-AS1通过与H3K4甲基转移酶MLL1相互作用,促进H3K4me3修饰,在DN中发挥抗纤维化作用[29]。

针对乙酰化修饰的干预药物具有DN治疗价值。HDAC抑制剂,如Vorinostat、Valproic Acid以及SAHA和TSA,均被证明可以通过调节组蛋白乙酰化,减轻DN肾脏病理损伤[30]。此外,激活SIRT1或抑制HAT的活性也被认为是潜在的治疗策略。例如,SIRT1激活剂(如SRT-1720)能够通过调节乙酰化平衡,减轻DN的肾脏纤维化、炎症和氧化应激[31]。

DN肾脏的丙二酰化修饰水平存在显著改变。与对照组相比,db/db糖尿病小鼠肾脏皮质中丙二酰化水平显著降低,这一变化与SIRT5蛋白表达的上调密切相关。Baek等[2]研究发现,DN患者肾活检组织中,SIRT5转录和蛋白水平在肾小管间质中显著增加,与小鼠模型的结果一致。免疫荧光分析显示,DN患者近端肾小管中SIRT5表达显著上调。SIRT5作为一种去酰化酶,能够去除蛋白质上的丙二酰化修饰,其在DN肾脏中的上调可能是一种代偿机制,以减少过量的丙二酰化修饰对细胞功能的负面影响。蛋白质组学分析显示,丙二酰化修饰的减少主要集中在非线粒体代谢途径相关蛋白质,如糖酵解和过氧化物酶体脂肪酸氧化(FAO)相关酶类[32]。这些途径的改变可能与DN肾脏固有细胞代谢重编程有关,也提示丙二酰化修饰可能通过调节代谢途径影响DN发生发展[33]。

此外,丙二酰化修饰还与炎症反应密切相关。甘油醛-3-磷酸脱氢酶(GAPDH)不仅参与糖酵解,还具有RNA结合能力,能够抑制炎症相关mRNA,如肿瘤坏死因子α(TNF-α) mRNA的翻译。在脂多糖激活的巨噬细胞中,GAPDH的赖氨酸213(K213)位点发生丙二酰化修饰,导致GAPDH从TNF-α mRNA上解离,从而促进TNF-α的翻译和分泌,加剧炎症反应[26]。这一研究结果揭示了丙二酰化修饰可以通过调节GAPDH的酶活性和RNA结合能力,促进炎症反应的新机制。

线粒体功能障碍是DN肾小管细胞损伤的关键机制,而琥珀酰化修饰与线粒体代谢密切相关。线粒体三羧酸循环的关键酶,如琥珀酸脱氢酶和柠檬酸合酶,其琥珀酰化水平的变化与线粒体功能障碍密切相关。此外,琥珀酰化修饰还可影响多种代谢相关酶的活性,介导DN进展。17β-羟类固醇脱氢酶10(HSD17B10)是一种重要的代谢酶,其琥珀酰化修饰水平在DN肾小管上皮细胞中显著下降,进而导致线粒体功能障碍,加剧氧化应激。而黄芪皂苷Ⅳ则可上调CPT1A介导的HSD17B10的K99位点琥珀酰化,来维持核糖核酸酶P活性,从而改善氧化应激相关的近端肾小管细胞损伤[4]。因此,调节关键代谢酶的琥珀酰化修饰可能成为治疗DN的新策略。

SIRT5通过去琥珀酰化作用,与琥珀酰化修饰酶,如琥珀酰辅酶A连接酶共同维持细胞内琥珀酰化修饰的动态平衡。抑制SIRT5可以发挥肾脏保护作用。例如,SIRT5基因敲除小鼠在缺血/再灌注损伤中的线粒体损伤表型得到显著改善。由于SIRT5在调节代谢和减轻肾脏损伤中的潜在作用,其可能成为治疗肾脏疾病的新靶点。通过调节SIRT5的活性,可以改善线粒体功能,减少脂毒性,减轻肾脏纤维化[32]。

琥珀酰化修饰还可以调节抗氧化酶的活性和炎症信号通路的转导。琥珀酰化修饰可调节还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶4(NOX4)的活性,影响ROS生成。在DN肾脏近端肾小管中,NOX4的活性增加,导致ROS过度积累。通过激活CPT1A,可增加NOX4的琥珀酰化修饰,从而抑制其活性,减轻氧化应激损伤[4]。此外,琥珀酰化修饰还可能通过调节核因子κB等炎症信号通路,抑制炎症因子的表达,从而减轻肾脏炎症反应。

高血糖环境下,肾小管上皮细胞和足细胞的糖代谢发生显著改变,糖酵解增强导致乳酸蓄积。这种代谢改变不仅影响细胞的能量代谢,还由于乳酸蓄积引起乳酸化修饰影响关键基因表达。研究表明,高血糖刺激下,单羧酸转运蛋白2在细胞内的表达增加,导致肾小管上皮细胞和足细胞中的乳酸水平显著增加,特别是组蛋白H3K14的乳酸化。这种修饰能够激活促纤维化基因的表达,促进肾小管上皮细胞的上皮-间充质转化,促进肾脏纤维化[27-28]。此外,DN小鼠肾脏中乳酸水平显著升高,导致肾小管上皮细胞能量代谢紊乱,影响其重吸收和分泌功能。乳酸脱氢酶(LDH)是催化丙酮酸生成乳酸的关键酶。研究发现,DN小鼠肾脏中LDH的两种亚型(LdhA和LdhB)表达显著增加,而血管紧张素Ⅱ受体拮抗剂治疗能够显著降低这两种亚型的表达水平,从而减少乳酸生成[1]。

值得注意的是,乳酸化修饰在DN中的作用并非孤立存在。它可以与其他表观遗传学修饰,如乙酰化、甲基化等的关键调控分子相互作用,共同调控基因表达。例如,乳酸化修饰通过抑制HDAC的活性,增强组蛋白乙酰化水平,进而促进炎症相关基因的表达[34]。这种修饰间的交叉调控为DN的治疗提供了新的思路。

小结:乙酰化、丙二酰化、琥珀酰化和乳酸化等新型PTM通过动态调控蛋白质功能,调节关键的细胞代谢重编程和氧化应激反应等病理生理过程与DN发生发展。PTM通过关键的修饰调节酶的交互作用形成复杂的调控网络,介导高糖情况下的DN肾脏固有细胞损伤和肾间质纤维化等过程,对于关键修饰酶的功能调控,有望成为DN干预新靶点。目前的研究多聚焦于单一修饰机制,对于PTM的动态互作的关键机制及调控策略仍需深入探索。

来源：《肾脏病与透析肾移植杂志》