隋修錕 吳 峰 張洪玉 馬 婷 戴鐘銓 李瑩輝

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)電子與信息工程學(xué)院, 深圳 518055; 2.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心航天醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)與應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100094; 3.深圳市綠航星際太空科技研究院, 深圳 518003)

1 引言

低代謝調(diào)節(jié)技術(shù)在載人深空探索和極端環(huán)境生存中具有廣泛的應(yīng)用前景。 目前,美國(guó)、俄羅斯和歐盟等都在布局低代謝調(diào)節(jié)技術(shù)概念研究和應(yīng)用策略探索。 在長(zhǎng)期載人星際飛行期間讓航天員大部分時(shí)間處于低代謝狀態(tài),將極大降低飛行載荷、減緩航天員心理壓力和人際關(guān)系矛盾,保證星際飛行更加安全[1]。 在特殊環(huán)境條件下,機(jī)體處于低代謝狀態(tài)可進(jìn)一步激發(fā)自身潛能,通過(guò)體內(nèi)能量代謝調(diào)節(jié)維持低代謝水平,進(jìn)而更好地應(yīng)對(duì)極端環(huán)境所帶來(lái)的負(fù)面影響。

禁食低代謝是機(jī)體在主動(dòng)性限制飲食模式下,通過(guò)不斷的生理調(diào)整將能量需求降至最低,并通過(guò)系統(tǒng)性能量底物轉(zhuǎn)換達(dá)到新穩(wěn)態(tài)[1]。 大量研究表明,科學(xué)禁食能促進(jìn)機(jī)體新陳代謝,激發(fā)機(jī)體代謝轉(zhuǎn)換,有助于逆轉(zhuǎn)衰老[2-3]。 禁食低代謝模式被認(rèn)為是一種現(xiàn)階段技術(shù)可行、安全有效的空間低代謝模式。 然而,禁食低代謝過(guò)程中機(jī)體能量代謝調(diào)控極其復(fù)雜,使得現(xiàn)有禁食低代謝技術(shù)存在誘導(dǎo)效率較低的問(wèn)題,亟需探索全面、快速、高效的禁食低代謝誘導(dǎo)方式;而闡明在代謝活性調(diào)節(jié)起至關(guān)重要作用的轉(zhuǎn)錄因子、限速酶等調(diào)節(jié)因子的轉(zhuǎn)錄表達(dá)和翻譯后修飾則是提高禁食低代謝誘導(dǎo)效率的關(guān)鍵途徑[4-6]。

蛋白翻譯后修飾是在蛋白的某些氨基酸殘基上共價(jià)結(jié)合化學(xué)小分子基團(tuán)的過(guò)程,進(jìn)而調(diào)節(jié)蛋白功能[7],具有調(diào)節(jié)速度快、且能量需求更低的特點(diǎn)[8]。 因此,該方式被認(rèn)為是維持禁食低代謝機(jī)體能量代謝新平衡的一種潛在調(diào)控機(jī)制。 目前,已有超過(guò)400 多種蛋白質(zhì)翻譯后修飾方式被發(fā)現(xiàn),了解這些蛋白質(zhì)翻譯后修飾方式的特點(diǎn)及其調(diào)控作用,對(duì)于探索高效的禁食低代謝誘導(dǎo)模式具有重要價(jià)值。

本文對(duì)不同蛋白翻譯后修飾在禁食低代謝過(guò)程中肝臟糖、脂能量代謝調(diào)控中的作用進(jìn)行綜述,并對(duì)在未來(lái)載人航天中的應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

2 磷酸化修飾與禁食肝臟能量代謝

蛋白質(zhì)磷酸化修飾(Phosphorylation)是指蛋白質(zhì)在磷酸化激酶的催化下把腺苷三磷酸(Adenosine Triphosphate, ATP) 或三磷酸鳥(niǎo)苷(Guanosine Triphosphate, GTP)上的磷酸基轉(zhuǎn)移到特定氨基酸殘基(Ser、Tyr、Thr)上的過(guò)程[9]。磷酸化修飾對(duì)蛋白質(zhì)功能具有重要的調(diào)節(jié)作用,被稱為蛋白質(zhì)功能的開(kāi)關(guān)[10]。

2.1 磷酸化修飾調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子的活化

糖異生途徑是禁食期間肝臟葡萄糖的主要來(lái)源,多種轉(zhuǎn)錄因子參與禁食期間糖異生途徑轉(zhuǎn)錄調(diào)控[11]。 在禁食狀態(tài)下,體液中循環(huán)的胰高血糖素含量增加,導(dǎo)致腺苷酸環(huán)化酶的激活和環(huán)磷酸腺苷(Cyclic Adenosine Monophosphate, cAMP)的形成,細(xì)胞內(nèi)cAMP 水平的增加激活了蛋白激酶A(Protein Kinase A, PKA),使轉(zhuǎn)錄因子cAMP 反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP-response Element Binding Protein, CREB)激活并使其磷酸化,促進(jìn)CREB結(jié)合并啟動(dòng)下游糖異生基因,增加肝臟葡萄糖的輸出[12]。 CREB 的輔激活物雷帕霉素靶蛋白復(fù)合物2(Target of Rapamycin Complex 2, TORC2)也是控制糖異生的關(guān)鍵分子開(kāi)關(guān)。 禁食過(guò)程中,胰高血糖素刺激TORC2 去磷酸化,進(jìn)入核內(nèi)與CREB 結(jié)合啟動(dòng)糖異生相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄[13]。 此外,禁食過(guò)程中胰高血糖素通過(guò)刺激肌醇三磷酸受體(Inositol (1,4,5)-trisphosphate Receptors 1,INSP3R1)和鈣/鈣調(diào)蛋白激酶II(Ca2+/Calmodulin-dependent Protein Kinase II, CAMK II)的磷酸化,提升了細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)的鈣濃度,增強(qiáng)了糖異生基因的表達(dá)[14]。 最近一項(xiàng)研究表明,禁食后血液中胰高血糖素含量增加,通過(guò)增強(qiáng)cAMP 和PKA 活性, 使叉頭轉(zhuǎn)錄因子 1 (Forkhead Box O1,FOXO1)在Ser276 位點(diǎn)磷酸化,促進(jìn)FOXO1 核轉(zhuǎn)位和穩(wěn)定性,導(dǎo)致下游磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(Phosphoenolpyruvate Carboxykinase, PEPCK)和葡 萄 糖-6-磷 酸 酶 ( Glucose-6-phosphatase,G6pase)的表達(dá)[15]。 這些研究表明磷酸化修飾通過(guò)激活轉(zhuǎn)錄因子進(jìn)而促進(jìn)糖異生途徑相關(guān)基因的表達(dá),以維持禁食期間體內(nèi)血糖含量。

磷酸化修飾也參與禁食過(guò)程脂代謝調(diào)控[16]。AMP 依賴的蛋白激酶(Adenosine 5’-monophosphate (AMP)-activated Protein Kinase, AMPK)可感受細(xì)胞內(nèi)AMP/ATP,當(dāng)AMP/ATP 比值偏高時(shí),AMPK 通過(guò)α 亞基Thr172 磷酸化而激活,進(jìn)而通過(guò)磷酸化失活乙酰輔酶A 羧化酶1(Acetyl Coenzyme A Carboxylase 1, ACC1) (Ser79) 和ACC2(Ser212),發(fā)揮抑制脂肪酸合成、促進(jìn)脂肪酸氧化的作用[17]。 肝臟AMPK 通過(guò)直接磷酸化脂肪代謝的主要轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白1c(Sterol Regulatory Element Binding Protein-1c, SREBP-1c)的Ser372 位點(diǎn),抑制SREBP-1c 基因的表達(dá),進(jìn)而抑制脂肪酸和膽固醇合成酶的表達(dá),減少脂質(zhì)合成[18]。 在營(yíng)養(yǎng)缺乏條件下,活化的AMPK 通過(guò)磷酸化PKA Ser568 位點(diǎn)激活PKA,后者磷酸化增強(qiáng)子結(jié)合蛋白α(CCAAT/enhancer-binding Proteins α, C/EBPα) Ser196、Ser626 和Thr66 使其失活,從而抑制脂肪合成相關(guān)基因的表達(dá)[19]。 可見(jiàn),磷酸化修飾通過(guò)活化或激活肝臟糖、脂代謝相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子,進(jìn)而增強(qiáng)下游相關(guān)基因的表達(dá),維持禁食過(guò)程中體內(nèi)能量的穩(wěn)定。

2.2 磷酸化修飾調(diào)控線粒體功能與能量代謝過(guò)程

生物酶是代謝過(guò)程的掌控者,而磷酸化修飾是代謝生物酶活性調(diào)節(jié)的重要開(kāi)關(guān)之一。 大多數(shù)胞漿及線粒體內(nèi)的代謝酶均可被磷酸化修飾。

孕烷X 受體(Pregnane X Receptor, PXR)是核受體超家族的成員,被確立為肝臟能量穩(wěn)態(tài)的新調(diào)節(jié)劑。 小鼠PXR 在配體結(jié)合域內(nèi)的絲氨酸347 處具有保守的磷酸化基序。 Yokobori 等[20]研究證實(shí)磷酸化PXR 可以防止禁食期間肝臟糖脂代謝紊亂,保持肝臟能量代謝穩(wěn)態(tài)。 Sueyoshi等[21]證實(shí)視黃酸受體α(Retinoic Acid Receptor α, RXRα)在T167A 位點(diǎn)磷酸化修飾可以調(diào)節(jié)RXR 核質(zhì)定位,維持禁食期間能量代謝和葡萄糖穩(wěn)態(tài)。 丙酮酸脫氫酶激酶(Pyruvate Dehydrogenase Kinases, PDK)同工酶的活性能影響丙酮酸脫氫酶復(fù)合物(Pyruvate Dehydrogenase Complex,PDC)維持血糖和ATP 水平的能力。 在禁食過(guò)程中,肝臟線粒體中PDK2 活性升高,使PDC 磷酸化和失活,從而將可利用的葡萄糖主要分配給只能利用糖類為能源的組織[22]。 長(zhǎng)期禁食過(guò)程中酮體取代葡萄糖成為主要的能量來(lái)源,酮體生成限速酶3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A 合酶2(3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA Synthase 2, HMGCS2)的活性在一定程度上影響禁食過(guò)程中酮體生成的效率。 Grimsrud 等[23]采用磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)對(duì)禁食小鼠肝臟組織線粒體進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),HMGCS2 在S456 位點(diǎn)上的磷酸化修飾可以提高其催化酮體生成的活性,保證禁食過(guò)程中血液中足夠的酮體含量。

大量研究證實(shí),禁食過(guò)程中體內(nèi)多種轉(zhuǎn)錄因子、代謝酶等都存在磷酸化修飾,并能通過(guò)調(diào)節(jié)它們的活性,使機(jī)體更快速適應(yīng)外界環(huán)境變化,維持禁食期間肝臟能量代謝穩(wěn)態(tài)。

3 乙?；揎椗c禁食肝臟能量代謝

蛋白質(zhì)乙?；?Acetylation)是通過(guò)酶學(xué)或非酶學(xué)的方式將乙酰基團(tuán)共價(jià)結(jié)合到賴氨酸殘基上的過(guò)程[24]。 乙酰基轉(zhuǎn)移酶(Histone/lysine Acetyltransferase, HATs/KATs) 和去乙?；?Histone/lysine Deacetylase, HDACs/KDACs)控制這2種活動(dòng)的動(dòng)態(tài)平衡,是維持體內(nèi)代謝平衡的關(guān)鍵[25-26]。

3.1 乙酰化修飾參與轉(zhuǎn)錄活性調(diào)節(jié)

蛋白質(zhì)乙?；腔蜣D(zhuǎn)錄的主要調(diào)節(jié)因子,這些轉(zhuǎn)錄因子多數(shù)參與機(jī)體禁食過(guò)程中能量代謝調(diào)節(jié)。 Hirschey 等[27]利用高效液相色譜/串聯(lián)質(zhì)譜(High Perform Liquid Chromatography-tandem Massspectrometry, HPLC-MS/MS)分析確定了133個(gè)線粒體蛋白中的277 個(gè)賴氨酸乙?；稽c(diǎn),其中24%的乙?；稽c(diǎn)與禁食相關(guān)。 Choudhary等[28]利用高分辨率質(zhì)譜法鑒定出1750 個(gè)蛋白質(zhì)上的3600 個(gè)賴氨酸乙酰化位點(diǎn),根據(jù)細(xì)胞功能和蛋白質(zhì)類別分類發(fā)現(xiàn),29 個(gè)發(fā)生乙?；揎椀霓D(zhuǎn)錄因子上存在40 個(gè)乙?；稽c(diǎn),這些賴氨酸乙?；揎椀霓D(zhuǎn)錄因子參與調(diào)控多種不同的細(xì)胞生物學(xué)過(guò)程。

在禁食或熱量限制期間,胰高血糖素通過(guò)多種方式刺激糖異生基因的表達(dá)[29]。 禁食狀態(tài)下,胰高血糖素含量增加使IIa 類組蛋白去乙?；?Histone Deacetylase, HDAC)去磷酸,并將其從細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核,從而募集HDAC3 形成復(fù)合物并促進(jìn)FOXO1 的去乙酰作用,增強(qiáng)其轉(zhuǎn)錄活性[30]。 此外,胰高血糖素誘導(dǎo)HDAC5 去磷酸化,使其與過(guò)氧化物酶增殖激活受體α(Peroxisome Proliferator-activated Receptor α, PPARα)結(jié)合作用增強(qiáng),進(jìn)而促進(jìn)脂肪酸氧化相關(guān)基因的表達(dá)[31]。 禁食狀態(tài)下,沉默調(diào)節(jié)因子1(Sirtuin 1,SIRT1)能迅速感受到體內(nèi)葡萄糖含量的變化,引發(fā)過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體-γ 共激活因子-1α(PPARγCoactivator-1α, PGC-1α)去乙?；?促進(jìn)PEPCK 基因的表達(dá),從而加強(qiáng)糖異生作用[32]。SIRT1 對(duì)FOXO1 也具有特異性去乙?；饔?且可同時(shí)增強(qiáng)Akt 對(duì)FOXO1 磷酸化的敏感性,進(jìn)而促進(jìn)糖異生相關(guān)基因的表達(dá)[33]。 研究表明SIRT1 能使CREB 調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)錄共激活因子2( CREB Regulated Transcription Coactivator 2,CRTC2)去乙?；?導(dǎo)致CRTC2 降解,從而降低肝臟葡萄糖的產(chǎn)生[34]。 SIRT1 也可以抑制脂質(zhì)合成并促進(jìn)脂肪分解,以響應(yīng)禁食條件下的能量底物需求[35]。 Li 等[36]證實(shí)SIRT1 通過(guò)去乙?；饔谜T導(dǎo)肝臟成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子21(Fibroblast Growth Factor 21, FGF21)的表達(dá),加速脂肪分解過(guò)程。 總之,去乙酰化酶通過(guò)直接或間接作用參與轉(zhuǎn)錄因子或轉(zhuǎn)錄輔因子的乙?；揎?調(diào)控細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄過(guò)程,進(jìn)而調(diào)控禁食過(guò)程中肝臟能量代謝。

3.2 乙?；揎棇?duì)中間代謝的調(diào)控

代謝酶的活性直接影響機(jī)體代謝的狀態(tài),幾乎所有的代謝反應(yīng)的中間代謝酶都存在乙?；揎?。 這些代謝酶的乙?；揎検沟盟鼈兡芨玫剡m應(yīng)不同的營(yíng)養(yǎng)環(huán)境。

PEPCK 是糖異生途徑的限速調(diào)節(jié)酶,Zhao等[37]證實(shí)在人PEPCK 含有4 個(gè)乙?；稽c(diǎn),且PEPCK 的穩(wěn)定性與葡萄糖水平有關(guān)。 在禁食條件下體內(nèi)葡萄糖水平下降,PEPCK 酶的乙酰化水平降低,使其穩(wěn)定性增加,保證代謝流轉(zhuǎn)向糖異生途徑。 糖原磷酸化酶(Glycogen Phosphorylase,GP)是糖原分解的催化限速酶,在維持葡萄糖穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮重要作用[38]。 Zhang 等[39]研究揭示胰高血糖素誘導(dǎo)GP 乙?；档筒?dǎo)致GP 活性增強(qiáng),從而使糖原分解產(chǎn)生的葡萄糖增加。 乙?；揎棽粌H可以通過(guò)影響代謝酶的活性調(diào)控體內(nèi)血糖水平,也可以影響脂肪酸代謝相關(guān)酶的活性。長(zhǎng)鏈?；o酶A 脫氫酶(Long-chain Acyl-CoA Dehydrogenase, LCAD) 是脂肪酸氧化的關(guān)鍵酶,Bharathi 等[40]研究證實(shí)LCAD 酶在K318 和K322位點(diǎn)的乙?；?jīng)Q定LCAD 的活性,該位點(diǎn)被SIRT3 去乙?；罂梢栽鰪?qiáng)LCAD 的活性。HMGCS2 是酮體生成的限速酶。 Shimazu 等[41]研究表明SIRT3 通過(guò)去乙?；饔谜{(diào)控HMGCS2的活性,進(jìn)而影響禁食過(guò)程中血液中酮體含量。

氨基酸代謝相關(guān)酶也受乙酰化修飾調(diào)控。 尿素循環(huán)是生物體排放含氮代謝廢物的主要方式[42-43]。 氨基甲酰磷酸合成酶1(Carbamoylphosphate Synthase 1, CPS1)是催化尿素循環(huán)中解氨毒的關(guān)鍵酶。 Nakagawa 等[43]研究表明禁食狀態(tài)下肝臟線粒體中的煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(Nicotinamide Adenine Dinucleotide, NAD+) 增加,引發(fā)SIRT5 催化CPS1 去乙?；?并上調(diào)其活性,從而使氨基酸分解代謝增加,保證體內(nèi)氮循環(huán)的正常進(jìn)行。

與磷酸化修飾相似,禁食低代謝狀態(tài)下肝臟組織乙?；揎椉瓤梢灾苯诱{(diào)控轉(zhuǎn)錄相關(guān)基因活性,也可以直接修飾代謝酶,這種“粗調(diào)”與“細(xì)調(diào)”相結(jié)合的方式使乙?；揎椩诮车痛x過(guò)程中能感知營(yíng)養(yǎng)狀況而改變代謝方向和代謝通路,實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)代謝網(wǎng)絡(luò)的精細(xì)調(diào)節(jié)。

4 O-GlcNAc 糖基化修飾與禁食肝臟能量代謝

糖基化修飾(Glycosylation)是指在糖基轉(zhuǎn)移酶的作用下,將糖類轉(zhuǎn)移至蛋白質(zhì)或蛋白質(zhì)上特殊的氨基酸殘基共價(jià)結(jié)合形成糖苷鍵的過(guò)程[44]。氧連β-N-乙酰葡糖胺修飾(O-linked β-N-acetlgluosamine, O-GlcNAc)修飾是一種廣泛存在于細(xì)胞質(zhì)/核蛋白的糖基化修飾方式,其最早由Torres 等在鼠類淋巴細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)[45]。 O-GlcNAc 糖基化修飾由O-GlcNAc 糖基轉(zhuǎn)移酶(O-linked N-acetylglucosamine Transferase, OGT)和O-GlcNAc 糖苷酶(O-GlcNAcase, OGA)動(dòng)態(tài)調(diào)控。 到目前為止,已發(fā)現(xiàn)超過(guò)1000 種蛋白質(zhì)被O-GlcNAc 糖基化修飾。 細(xì)胞內(nèi)O-GlcNAc 糖基化修飾水平受到葡萄糖、游離脂肪酸、氨基酸和核苷酸代謝等多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量變化的影響,因此,O-GlcNAc 糖基化也被認(rèn)為是機(jī)體的壓力和營(yíng)養(yǎng)感應(yīng)器,并能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)細(xì)胞轉(zhuǎn)錄翻譯、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和代謝等多種生命活動(dòng)[46]。

禁食過(guò)程中多種糖異生轉(zhuǎn)錄因子和輔因子的O-GlcNAc 糖基化修飾參與肝臟葡萄糖的產(chǎn)生。在短期禁食過(guò)程中,響應(yīng)cAMP 和鈣信號(hào)的變化,CRTC2 在Ser70 和Ser171 位點(diǎn)被去磷酸化和OGlcNAc 糖基化,這促進(jìn)CRTC2 易位到核中并與CREB 結(jié)合,從而加強(qiáng)糖異生作用[47]。 在長(zhǎng)期禁食期間,OGT 主要影響PGC-1α 介導(dǎo)的糖異生基因的表達(dá)。 宿主細(xì)胞因子(Host Cell Factor 1,HCF-1)通過(guò)募集OGT 促進(jìn)其與PGC-1α 的結(jié)合,O-GlcNAc 糖基化作用加強(qiáng)PGC-1α 的穩(wěn)定性,促進(jìn)了糖異生作用[48]。 葡萄糖激酶(Glucokinase,GCK)是調(diào)節(jié)肝臟中葡萄糖的流量和使用的主要酶。 Baldini 等[49]研究證實(shí)GCK 的表達(dá)由葡萄糖通過(guò)O-GlcNAc 糖基化修飾調(diào)節(jié)。 雌激素相關(guān)受體γ(Estrogen Receptor-related Receptorsγ,ERRγ)在調(diào)節(jié)小鼠肝臟中的葡萄糖、脂質(zhì)代謝中起重要作用[50]。 禁食條件下ERRγ 的S317 和S319 位點(diǎn)發(fā)生糖基化修飾,使得ERRγ 蛋白質(zhì)穩(wěn)定性增加,從而促進(jìn)下游糖異生相關(guān)基因的表達(dá)[51]。

上述研究表明,O-GlcNAc 糖基化修飾參與禁食低代謝過(guò)程中多種蛋白質(zhì)的修飾,對(duì)細(xì)胞外營(yíng)養(yǎng)環(huán)境變化做出快速應(yīng)答反應(yīng)。 O-GlcNAc 糖基化修飾既可以通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄活性、蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)定位等方式參與禁食過(guò)程中機(jī)體能量代謝調(diào)節(jié)。

5 琥珀?；揎椗c禁食肝臟能量代謝

琥珀?；揎?Succinylation)是將琥珀?；拥降鞍踪|(zhì)分子的賴氨酸殘基上的過(guò)程[52]。 發(fā)生琥珀酰化的賴氨酸基團(tuán)被賦予2 個(gè)負(fù)電荷,價(jià)態(tài)從+1 變成-1,能夠引發(fā)更多蛋白質(zhì)特性的改變,且琥珀?；鶊F(tuán)空間結(jié)構(gòu)較大,對(duì)于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的影響更為顯著[53]。 琥珀?；揎梾⑴c糖酵解、氨基酸代謝、脂肪酸代謝等多種途徑的調(diào)節(jié)[54-55]。

5.1 琥珀酰轉(zhuǎn)移酶對(duì)酶活性的調(diào)節(jié)

細(xì)胞內(nèi)琥珀酰輔酶A 和賴氨酸琥珀酰轉(zhuǎn)移酶對(duì)琥珀?；揎棸l(fā)揮正向調(diào)控作用[56]。 α-酮戊二酸脫氫酶復(fù)合物(α-Ketoglutarate Dehydrogenase, α-KGDH)與賴氨酸酰基轉(zhuǎn)移酶2A(Lysine Acetyltransferase 2A, KAT2A) 中的酪氨酸645(Y645)結(jié)合并將琥珀?；D(zhuǎn)移酶至組蛋白H3,催化H3K79 發(fā)生琥珀酰化修飾;而阻止α-KGDH 進(jìn)入細(xì)胞核或突變Y645 為丙氨酸會(huì)導(dǎo)致H3K79 琥珀?；档蚚57]。 脂肪酸氧化途徑的關(guān)鍵酶肉堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶(Carnitine Palmitoyltransferase 1a, CPT-1a)也可以作為琥珀?；D(zhuǎn)移酶,參與調(diào)控多種底物蛋白及相關(guān)代謝過(guò)程[58]。

5.2 去琥珀酰化修飾在肝臟糖脂代謝中的調(diào)節(jié)

體內(nèi)琥珀?；教幱谝粋€(gè)動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)。 SIRT5 是體內(nèi)重要的去琥珀?；揎椕竅59]。SIRT5 敲除小鼠中,涉及主要代謝途徑的140 種蛋白質(zhì)上共有386 個(gè)位點(diǎn)被鑒定為高度琥珀?；?與野生小鼠相比,琥珀?；辽僭黾? 倍)。 Ye等[60]研究表明SIRT5 通過(guò)下調(diào)M2 型丙酮酸激酶(Pyruvate Kinase M2, PKM2)K498 位點(diǎn)的琥珀?；揭种芇KM2 的活性,從而抑制丙酮酸的生成;SIRT5 去琥珀酰化并激活異檸檬酸脫氫酶2(Isocitrate Dehydrogenase-2, IDH2),催化NADP+依賴的異檸檬酸氧化脫羧為α-KG,產(chǎn)生NADPH和CO2[61];相反,SIRT5 催化的去琥珀?；种芐DH 的活性影響三羧酸循環(huán)[62]。 在脂肪酸代謝過(guò)程中,SIRT5 去琥珀?；⒃黾映L(zhǎng)鏈酰基輔酶A 脫氫酶(Very Long-chain acyl-CoA Dehydrogenase, VLCAD)的活性以促進(jìn)脂肪酸氧化的通量[63]。 SIRT5 還可以通過(guò)作用于烯酰輔酶A 水合 酶(Enoyl-CoA Hydratase, ECHA) α 亞 基 的K351 位點(diǎn)上調(diào)ECHA 的活性,促進(jìn)脂肪酸氧化[64]。 此外,SIRT5 通過(guò)去琥珀?；饔谜{(diào)節(jié)HMGCS2 以及其他參與生酮作用的酶的活性,SIRT5 缺失導(dǎo)致HMGCS2 的過(guò)度琥珀酰化和活性降低[65]。

綜上所述,琥珀?；且环N豐富的翻譯后修飾,其對(duì)機(jī)體整個(gè)代謝過(guò)程的影響更加廣泛,且作用更加顯著、反應(yīng)更加迅速。 SIRT5 是琥珀酰化修飾對(duì)許多代謝酶的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑。 雖然在機(jī)體中已經(jīng)鑒定出多個(gè)SIRT5 直接作用的底物,且已證實(shí)其在能量代謝中的調(diào)控作用,但是,禁食過(guò)程中SIRT5 調(diào)控的去琥珀?；揎棇?duì)機(jī)體帶來(lái)的影響尚不清楚。 因此,仍需要更多的工作來(lái)更好地了解禁食過(guò)程中可逆琥珀?；揎棇?duì)這些酶和隨后的細(xì)胞生理學(xué)過(guò)程的影響。

6 展望

禁食低代謝作為目前最具應(yīng)用潛能和可實(shí)現(xiàn)性的空間低代謝調(diào)節(jié)技術(shù)被廣泛研究[1]。 禁食可以顯著降低機(jī)體靜息能量代謝率,使其具備用于解決載人星際航行載荷問(wèn)題的潛力,但仍需提高禁食低代謝技術(shù)的低代謝誘導(dǎo)效率。 蛋白翻譯后修飾能夠感知機(jī)體不同生理、營(yíng)養(yǎng)狀態(tài),影響蛋白的活性、穩(wěn)定性、細(xì)胞內(nèi)定位以及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等,實(shí)現(xiàn)對(duì)功能蛋白的活化、轉(zhuǎn)位、組裝等過(guò)程的調(diào)節(jié)。 蛋白質(zhì)翻譯后修飾比轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控更加精細(xì),對(duì)環(huán)境中微小變化也能產(chǎn)生精確的微調(diào),而不會(huì)給機(jī)體帶來(lái)更多的能量消耗。 這種低耗能模式對(duì)于機(jī)體維持禁食低代謝狀態(tài)至關(guān)重要。 研究蛋白質(zhì)翻譯后修飾,不僅能在分子水平上揭示禁食低代謝過(guò)程中復(fù)雜的蛋白質(zhì)功能變化,更好地了解機(jī)體面對(duì)營(yíng)養(yǎng)缺乏時(shí)的自身調(diào)節(jié)機(jī)制,也有利于了解關(guān)鍵調(diào)節(jié)酶的修飾類型,從而為尋找高效的禁食低代謝誘導(dǎo)靶點(diǎn)提供參考。 然而,蛋白質(zhì)翻譯后修飾的普遍性、多樣性、動(dòng)態(tài)性和復(fù)雜性,導(dǎo)致在整體水平上認(rèn)識(shí)禁食過(guò)程中體內(nèi)發(fā)生的翻譯后修飾仍有困難。 但是從不同翻譯后修飾在禁食低代謝過(guò)程中參與機(jī)體能量代謝的方式可以看出,這些翻譯后修飾對(duì)機(jī)體代謝的調(diào)控作用大致分為2 個(gè)層次:第一,轉(zhuǎn)錄因子的翻譯后修飾直接調(diào)控代謝酶的表達(dá)量,屬于“粗調(diào)”。 這種修飾層面的調(diào)節(jié)可以在更長(zhǎng)遠(yuǎn)的方面影響機(jī)體代謝的水平。 第二,代謝酶的翻譯后修飾直接影響酶活性,屬于“細(xì)調(diào)”。 這種修飾層面的調(diào)節(jié)能根據(jù)體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)水平做出快速的反應(yīng)。 此外,大量研究也表明,多種不同的翻譯后修飾之間存在相互交叉或共同調(diào)節(jié)某一代謝酶的現(xiàn)象,這也進(jìn)一步證實(shí)了體內(nèi)能量代謝調(diào)節(jié)的復(fù)雜性。

面對(duì)復(fù)雜的蛋白質(zhì)修飾,在未來(lái)探索通過(guò)改變蛋白質(zhì)修飾水平提高空間低代謝誘導(dǎo)效率的技術(shù)研究中,可以從蛋白質(zhì)組學(xué)的角度詳細(xì)、系統(tǒng)地研究蛋白質(zhì)翻譯后修飾與能量代謝的內(nèi)在聯(lián)系。以糖、脂代謝相關(guān)的蛋白質(zhì)修飾研究為基礎(chǔ),探索蛋白修飾酶類和底物通過(guò)何種網(wǎng)絡(luò)以及分子機(jī)制進(jìn)行調(diào)控,挖掘不同調(diào)控層次的協(xié)作調(diào)控方式。此外,針對(duì)糖、脂代謝關(guān)鍵調(diào)控因子的修飾類型,尋找一種有效的修飾調(diào)節(jié)靶點(diǎn),針對(duì)性的誘導(dǎo)修飾后變化的發(fā)生,提高低代謝的誘導(dǎo)效率。 這些工作將為深入研究禁食過(guò)程中機(jī)體能量代謝轉(zhuǎn)換機(jī)制奠定基礎(chǔ),也將為尋找更好的空間低代謝調(diào)節(jié)手段提供依據(jù)。