【综述】线粒体蛋白翻译后修饰在葡萄糖代谢中的作用

文章来源：中华糖尿病杂志,2020,12 (04): 259-262

作者：徐艳红 叶建平

单位：上海交通大学附属第六人民医院　

摘要

线粒体是负责细胞能量代谢的细胞器，是葡萄糖彻底氧化分解合成三磷酸腺苷或转化成脂肪酸等物质的重要场所。其功能障碍与糖尿病的发病有密切关系。线粒体功能由众多蛋白决定，受蛋白质翻译后修饰的精细调节，如磷酸化、乙酰化、琥珀酰化及糖基化等。这些修饰通过调节各种酶的活性影响线粒体代谢葡萄糖的能力，从而决定血糖稳态，是理解葡萄糖代谢紊乱的重要切入点。笔者以葡萄糖代谢为中心阐述线粒体蛋白翻译后修饰的研究进展。

线粒体是人体细胞控制能量代谢的细胞器，参与葡萄糖、脂肪酸和氨基酸等物质的分解与合成代谢，调控细胞生理和病理活动^[1]。线粒体功能异常与许多疾病如糖尿病、肥胖、神经退行性疾病、心血管疾病以及癌症等密切相关。近年来，随着蛋白质组学技术的发展，蛋白酶翻译后修饰成为线粒体代谢研究的热点。大量文献揭示蛋白修饰在葡萄糖代谢通路包括糖酵解、三羧酸循环、氧化磷酸化和糖异生中发挥重要的作用。关于线粒体蛋白翻译后修饰在葡萄糖代谢方面的研究进展很快，笔者对近几年相关文献进行综述，为2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）的发生机制提供新的认识。

一、线粒体蛋白翻译后修饰对葡萄糖代谢的调节作用

在哺乳动物细胞，葡萄糖在胞质中经过糖酵解产生丙酮酸。在线粒体丙酮酸脱氢酶（pyruvate dehydrogenase，PDH）作用下，丙酮酸转化成乙酰辅酶A，进入三羧酸循环进行有氧氧化。在无氧条件下，丙酮酸变成乳酸，释放到细胞外，进入血液循环。糖酵解和葡萄糖有氧氧化是碳水化合物分解代谢的两个主要环节。

（一）乙酰化及琥珀酰化

乙酰化修饰是在蛋白的赖氨酸残基上加一个乙酰基。蛋白组学研究发现，大约30%的线粒体蛋白被乙酰化修饰。线粒体蛋白过度乙酰化存在于糖尿病、代谢综合征、癌症等疾病的发病过程中^[2]。一般来讲蛋白过度乙酰化修饰促进胞质中葡萄糖酵解反应^[3]，但抑制葡萄糖进入线粒体代谢。乙酰化修饰通过间接和直接的方式发挥代谢调节作用。SIRT3（Sirtuin 3）是一种NAD⁺（nicotinamide adenine dinucleotide）依赖的去乙酰化酶，其活性降低时，糖酵解相关酶的表达增加，刺激葡萄糖酵解^[3]。在SIRT3敲除条件下，乙酰化水平升高，激活缺氧诱导因子1α表达，增加糖酵解通路中多种酶（如己糖激酶）的基因表达，加速糖酵解反应^[4]。葡萄糖酵解是恶性肿瘤细胞产生能量的主要机制，在肿瘤组织中激活SIRT3，通过以上机制降低糖酵解反应，可能成为肿瘤治疗的一个方向^[5]。

在乙酰化修饰的直接作用中，SIRT3通过调节PDH乙酰化控制葡萄糖的有氧氧化。PDH是葡萄糖有氧氧化的重要限速酶，催化丙酮酸变成乙酰辅酶A，进入三羧酸循环。PDH活性在乙酰化后降低。SIRT3是控制PDH乙酰化状态的关键酶，其作用是降低PDH乙酰化。SIRT3活性降低时，PDH乙酰化状态增加，活性降低。在小鼠骨骼肌中敲除SIRT3基因或在体外培养的成肌细胞中敲低SIRT3基因，均可以使PDH亚基（E1α）的乙酰化（336位赖氨酸）水平升高，导致PDH酶活性降低^[6]。

琥珀酰化修饰，即在蛋白的赖氨酸残基上加一个琥珀酸基团，是调节线粒体功能的另外一种蛋白修饰。在线粒体蛋白中，30%的蛋白被琥珀酰化修饰^[7]。在葡萄糖代谢中，琥珀酰化修饰和乙酰化修饰的作用相反，琥珀酰化修饰促进葡萄糖的有氧氧化。SIRT5是控制琥珀酰化修饰的主要酶，其功能是降低蛋白的琥珀酰化状态^[8]。在SIRT5基因敲除细胞中，PDH琥珀酰化水平提高，促进丙酮酸和乳酸变成乙酰辅酶A，进入线粒体代谢^[9]。相反，SIRT5在T2DM患者以及体外培养的β细胞糖尿病模型中表达升高，并且与血糖水平正相关^[10]。这些研究提示抑制SIRT5可增加葡萄糖的有氧氧化和利用，有助于改善胰岛素敏感性。因此，SIRT5是T2DM治疗的一个新潜在靶点。

（二）磷酸化

磷酸化是最常见的翻译后修饰。除了受乙酰化和琥珀酰化调节，PDH活性也受磷酸化调节。磷酸化发生在PDH的E1α亚基，降低PDH的催化活性。在早期糖尿病向糖尿病转化过程中，肝脏PDH磷酸化程度升高^[11]，降低葡萄糖的氧化分解能力。

在胞质中，己糖激酶催化葡萄糖代谢的第一步是将葡萄糖磷酸化。己糖激酶Ⅰ和Ⅱ都受Src激酶调节，其酪氨酸残基被磷酸化后催化活性增加。在体外培养的胰岛β细胞（INS-1）中下调Src表达，可以降低己糖激酶活性，减少葡萄糖利用，葡萄糖诱导胰岛素分泌的作用降低^[12]。

二、线粒体蛋白翻译后修饰对三羧酸循环的调节作用

三羧酸循环是葡萄糖在线粒体代谢的一个重要环节。葡萄糖产生的乙酰辅酶A进入三羧酸循环，产生大量还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（reduced nicotinamide adenine dinucleotide，NADH）和还原型黄素腺嘌呤二核苷酸（reduced flavin adenine dinucleotide，FADH₂），为呼吸链提供电子，推动氧化磷酸化反应合成三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）。三羧酸循环有8个关键催化酶，它们的催化活性均受翻译后修饰的调节。

（一）乙酰化及琥珀酰化

在调节三羧酸循环中，乙酰化的作用以抑制为主，而琥珀酰化以激活为主。琥珀酸脱氢酶（succinate dehydrogenase，SDH）是三羧酸循环关键酶之一，位于线粒体内膜。由A和B两个亚基组成。SDH催化琥珀酸转为富马酸，并且产生FADH₂。A亚基（SDHA）活性既受乙酰化调节也受琥珀酰化调节，而两种修饰作用相反：乙酰化抑制该亚基活性，去乙酰化后该亚基活性提高^[13]。动物模型研究发现，胚胎期母亲低蛋白饮食可增加出生后肥胖及T2DM发生率，机制是SIRT3表达减少，增加SDH乙酰化状态，降低SDH活性^[14]。柠檬酸合酶和异柠檬酸脱氢酶2（isocitrate dehydrogenase 2，IDH2）的催化活性也受乙酰化抑制^[15,16]。但是，乙酰化修饰也可增加三羧酸循环中某些酶的活性，如苹果酸脱氢酶（malate dehydrogenase，MDH）和顺乌头酸酶^[16,17]。与乙酰化修饰的作用相反，琥珀酰化增加SDH活性^[13]，但抑制IDH2的活性^[18]。α酮戊二酸脱氢酶是三羧酸循环的另一关键酶，催化α酮戊二酸脱氢变为琥珀酰辅酶A，并具有转琥珀酰酶的功能，其以酮戊二酸依赖的方式催化其本身以及PDH、IDH等酶的琥珀酰化，从而改变这些酶的活性^[19]。以上研究表明，乙酰化及琥珀酰化对三羧酸循环中不同酶的活性具有不同的调节作用，在大多数情况下，乙酰化及琥珀酰化对三羧酸循环的调节作用相反。

（二）磷酸化

除了酰基化调节，三羧酸循环的酶还受磷酸化调节。柠檬酸合酶和顺乌头酸酶被Src激酶磷酸化^[20]。Fgr是Src激酶家族成员之一，可以使顺乌头酸酶多个酪氨酸位点（71、544、665位）磷酸化。但是，这些修饰的生理作用还不清楚。

三、线粒体蛋白翻译后修饰对呼吸链的调节作用

线粒体的呼吸链通过彻底氧化NADH和FADH₂产生水和CO₂，同时将氧化过程释放的能量用于合成ATP。这一过程叫氧化磷酸化，由呼吸链5个复合体（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ）完成。这些复合体的活性受蛋白修饰调节，如乙酰化、琥珀酰化和磷酸化。呼吸链氧化反应所释放的能量直接用于维持线粒体膜电位，推动二磷酸腺苷磷酸化产生ATP。膜电位也是线粒体产热活动的能量来源。

（一）乙酰化及琥珀酰化

乙酰化抑制呼吸链功能，该结论主要来自对SIRT3敲除小鼠的研究。乙酰化可抑制呼吸链中至少三个复合体的功能。复合体Ⅰ的NDUFA9（NADH：ubiquinone oxidoreductase subunit A9）亚基，复合体Ⅱ的A亚基（SDHA），以及复合体Ⅴ的E亚基（ATP 5E）和O亚基（ATP 5O）均受乙酰化调节^[21]。这些蛋白在SIRT3缺失条件下发生过度乙酰化，引起复合体催化活性降低，线粒体表现为氧耗量下降和ATP合成下降。这种调节主要存在于心脏、肝脏和肾脏等高耗能组织^[22]。GCN5L1介导蛋白乙酰化反应，与SIRT3在调节呼吸链功能方面作用相反^[23]。能量过剩可通过乙酰化修饰，调节呼吸链功能。在肥胖小鼠中，线粒体蛋白乙酰化水平升高，作用机制与细胞内ATP水平及乙酰辅酶A水平升高有关^[24]。

除了乙酰化，琥珀酰化在调节呼吸链功能中也起到重要作用。琥珀酰化增加SDH的A和B亚基的催化活性，提高复合体Ⅱ活性。SIRT5可以使SDH去琥珀酰化，从而降低复合体Ⅱ活性。因此，乙酰化和琥珀酰化在线粒体复合物Ⅱ的活性调节中起到相反的作用^[9]。

（二）磷酸化

呼吸链上的酶复合体还受磷酸化调节。如复合体Ⅰ和复合体Ⅳ均可通过环磷酸腺苷-蛋白激酶A（cyclic adenosine monophosphate-protein kinase A，cAMP-PKA）途径被磷酸化从而提高酶活性^[25]。与上述机制相反，cAMP也可以通过诱导复合体Ⅳ酪氨酸磷酸化（Y304）从而降低该酶的活性^[26]。上述研究提示线粒体复合体存在两种作用相反的磷酸化修饰：其活性被丝/苏氨酸磷酸化增加，而被酪氨酸磷酸化降低。

呼吸链蛋白还受Src酪氨酸激酶调节，激活Src可提高复合体Ⅳ的功能，但却降低复合体Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ的功能^[27]。

对人骨骼肌的研究发现，ATP合酶的β亚基有7个磷酸化位点，其中361位酪氨酸和213位苏氨酸磷酸化程度在肥胖及T2DM患者明显增高，胰岛素可以使健康人ATP合酶β亚基361位酪氨酸磷酸化增加约50%，但在胰岛素抵抗患者则不起作用。提示ATP合酶β亚基位点特异性磷酸化可能与胰岛素抵抗有关^[28]。

（三）糖基化

糖基化修饰是一种重要的翻译后修饰，其发生在胞质以及核蛋白的丝氨酸及苏氨酸残基上，是在丝氨酸或苏氨酸上连接一个N-乙酰葡萄糖胺（O-linked N-acetylglucosamine，O-GlcNAc）。到目前为止，已发现超过1 000种蛋白质被O-GlcNAc糖基化修饰，O-GlcNAc修饰影响蛋白质相互作用、细胞定位、蛋白降解并参与各种生物学功能的调节^[29]。过度表达N-乙酰葡萄糖胺糖基化转移酶（O-GlcNAc transferase，OGT）及N-乙酰葡萄糖胺酶（O-GlcNAcase，OGA）均可引起线粒体呼吸链以及三羧酸循环相关蛋白水平的下调，并且改变线粒体的形态以及细胞呼吸功能，提示糖基化修饰在调节线粒体代谢方面具有重要的作用^[30]。糖尿病高糖条件下，线粒体糖基化水平增高引起线粒体功能障碍，最后可以导致糖尿病心肌病^[31]。然而亦有相反的结果，有研究发现OGA抑制剂硫脒G使大鼠心肌糖基化水平升高后ATP产生反而增加^[32]。

四、线粒体蛋白翻译后修饰对糖异生的影响

葡萄糖异生是饥饿状态下维持血糖稳定的重要机制，糖异生的主要器官是肝脏，在长期饥饿时，肾脏的糖异生能力增强。糖异生发生在胞质中，线粒体蛋白修饰可通过多种途径影响糖异生。

（一）乙酰化

糖异生受乙酰化调节。在肝脏特异性GCN5L1敲除小鼠中，线粒体蛋白乙酰化水平下降，糖异生减少，空腹血糖下降^[33]。肝脏糖异生受两个关键酶调节：磷酸烯醇式丙酮酸羧基酶（phosphoenolpyruvate carboxykinase，PEPCK）以及葡萄糖-6-磷酸酶。GCN5L1敲除小鼠中，糖异生降低与这两种酶表达减少有关。如果恢复线粒体的GCN5L1表达水平则可以消除该表型，提示GCN5L1通过调节线粒体蛋白乙酰化控制葡萄糖异生^[33]。上述研究提示乙酰化增加促进糖异生，亦有相反的研究结果。研究发现黄连素可通过抑制SIRT3增加PEPCK乙酰化^[34]，抑制糖异生。

（二）磷酸化调节

AMP激活的蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）是由一个催化亚基α和两个调节亚基β和γ组成的三聚体，其被磷酸化后活性增加。当细胞内能量降低时AMPK被激活，促进ATP产生，减少ATP的消耗。过表达AMPKα2亚基的活性成分，可以抑制糖异生关键酶葡萄糖-6-磷酸酶和PEPCK，减少肝糖输出^[35]。AMPK激活剂A-769622可以通过抑制ob/ob小鼠肝糖异生从而产生很强的抗糖尿病作用^[36]。

五、总结

翻译后修饰是蛋白功能精细调节的一个主要方式，被称为'生命复杂现象的软实力'。不管是磷酸化、乙酰化、琥珀酰化还是糖基化都与葡萄糖代谢密切相关。翻译后修饰可快速改变线粒体蛋白的功能，为精细调节葡萄糖代谢奠定了基础。线粒体是细胞的能量加工厂，在肥胖条件下是能量过剩的重灾区。线粒体功能改变是肥胖引起胰岛素抵抗及T2DM的病因之一。在能量过剩状态下，线粒体处于'过热'状态，产生过多的ATP和乙酰辅酶A。这种状态引起线粒体蛋白修饰的改变，如乙酰化增加，降低葡萄糖有氧代谢，胞质蛋白乙酰化水平升高可增加糖异生活动，这些均可引起糖代谢异常。对线粒体蛋白翻译后修饰的认识有助于我们更好地理解T2DM的病理过程，为今后更好地防治该疾病提供理论指导。

参考文献略

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