运动诱导蛋白质磷酸化与乙酰化交互作用与能量代谢研究进展

梁德欢 牛燕媚

天津医科大学医学技术学院康复医学系（天津300070）

机体是一个复杂的动态系统，蛋白质是执行其正常功能的基本单位。蛋白质的表达和功能接受来自基因、表观遗传、翻译后修饰（post-translational modifications，PTMs）等多个层面的调控。其中PTMs是指将修饰基团（如磷酸基、乙酰基、甲基等）添加到蛋白质的特定氨基酸残基上[1]。作为一种动态可逆的蛋白质功能调节方式，因其代谢成本低、反应迅速，PTMs成为丰富生物体蛋白功能多样性的重要途径[2]。PTMs可赋予蛋白质新的特性，包括调节酶活性、亚细胞定位、蛋白质相互作用、蛋白质稳定性、DNA亲和力等[3]。目前，相关蛋白组学研究已发现超过200多种PTMs 方式，如磷酸化、乙酰化、糖基化、泛素化[4，5]。这些PTMs 在不同的细胞中应答不同的刺激，进而调控蛋白质的活性和功能。其中磷酸化和乙酰化是最为常见的两种PTMs，广泛发生于各类细胞生命活动中，对机体代谢调控具有重要意义，其水平的异常将直接影响蛋白质含量以及功能的执行，从而导致相应疾病的发生。

PTMs 交互作用（PTMs crosstalk）是指在同一蛋白质或不同蛋白质之间发生的多种PTMs可以相互影响，并协调蛋白最终的功能[1]。在生物体内，蛋白质PTMs种类繁多，分为可逆和不可逆两种方式，其中可逆的修饰，如磷酸化、乙酰化等，呈高度动态变化，以帮助细胞适应内部生理状态和外部环境的变化。此时，蛋白质的各种PTMs并非孤立存在，即同一个蛋白质可以发生多种PTMs，且不同的PTMs彼此相互影响；或者不同蛋白之间的PTMs也可以交互应答，进一步促使机体形成复杂的调控网络[4，6，7]。PTMs 交互作用的重要性已经在各种细胞活动中得到证实，如转录调控、蛋白质稳定性调节等[1]。此外，以往研究也发现了蛋白质PTMs 之间交互作用的改变可能与许多慢性疾病有关，如肿瘤、神经退行性疾病、心血管疾病、糖尿病等[8]。

运动作为一种常见的外界刺激，可以调节多种蛋白质PTMs，如磷酸化[9]、乙酰化[10]。运动干预可以调节机体的能量代谢，是临床上预防和治疗代谢性疾病的重要方式。PTMs 交互调控与机体的生理或病理过程密切相关，因此，运动是否可以通过诱导其作用来调节代谢相关蛋白功能并改善机体能量代谢紊乱便成了学者们关注的重点。鉴于上述，本文以常见的蛋白质乙酰化和磷酸化为例，探讨两者交互作用对机体能量代谢的调控以及运动对此过程的影响，以期为运动治疗代谢性疾病提供新思路。

1 蛋白质磷酸化和乙酰化

蛋白质磷酸化和乙酰化是生物体内两种保守的可逆的翻译后修饰方式，已经被广泛研究。其中，蛋白磷酸化是指由蛋白激酶（protein kinase，PK）将ATP 或GTP的磷酸基团转移到底物蛋白的氨基酸残基上的过程，此过程可被蛋白磷酸酶（protein phosphatase，PPase）催化逆转，后者被称为蛋白质去磷酸化。作为存在最为广泛的蛋白质PTM，磷酸化/去磷酸化这种动态的开关机制几乎在所有生物的生命活动中都扮演着重要的角色，例如信号转导、基因转录、蛋白质合成、细胞增殖分化与凋亡、代谢调控、肿瘤发生等[5，11]。

而蛋白质乙酰化最常见的是赖氨酸乙酰化，它是在赖氨酸乙酰转移酶（lysine acetyltransferases，KATs）的作用下把乙酰基团共价结合到底物蛋白的赖氨酸残基上，此过程可被赖氨酸去乙酰化酶（lysine deacetylases，KDACs）拮抗[12，13]，后者被称为去乙酰化。乙酰化/去乙酰化修饰广泛发生在细胞核、细胞质和线粒体内的蛋白质上，并参与调节表观遗传调控、基因转录、细胞生存、mRNA 剪接、能量代谢、自噬等重要过程[12，14，15]。同时，研究证实赖氨酸乙酰化水平的改变与许多疾病密切相关，如糖尿病、癌症、心血管疾病、神经系统疾病等[7，12]。

2 运动诱导蛋白质磷酸化和乙酰化交互作用

作为一种常见的外界干预，运动或肌肉收缩可以广泛调节细胞蛋白质磷酸化和乙酰化状态。例如，有研究对小鼠跑步运动模型和大鼠肌肉收缩模型的骨骼肌进行磷酸化蛋白组学检测，筛查出大量磷酸化位点，说明运动可以直接调控蛋白磷酸化[9]。而对骨骼肌蛋白进行GO（Gene Ontology）分析后，研究还发现耐力训练可诱导细胞组蛋白H3乙酰化水平显著上调，并伴有参与肌肉生长、应激反应、新陈代谢等生命活动的基因表达增加[16]。

在运动过程中，蛋白质磷酸化和乙酰化修饰过程不仅普遍存在，而且两者极可能存在交互应答，以协同作用或拮抗作用来影响蛋白质功能。例如，McGee 等发现运动可诱导磷酸化依赖性组蛋白去乙酰化酶（HDAC，histone deacetylase）出核，增加组蛋白乙酰化水平[17]；且通过蛋白组学研究发现在运动小鼠中的428个线粒体蛋白质中，有73 个蛋白质发生磷酸化，85 个蛋白质发生乙酰化，其中25个蛋白质存在两种修饰方式[18]；此外，运动还可诱导丙酮酸脱氢酶（Pyruvate dehydrogenase，PDH）出现乙酰化和磷酸化改变[19]。以上研究均提示，在运动或肌肉收缩过程中，蛋白磷酸化与乙酰化修饰交互是存在且必要的。

进一步研究发现，运动诱导的蛋白磷酸化和乙酰化交互是错综复杂的。以腺苷酸活化蛋白激酶（adenosine monophosphate- activated protein kinase，AMPK）为例，AMPK 是细胞能量代谢的感受器和调节器[20]，在运动适应过程中常常被激活。在禁食或运动后，由于血糖下降、糖原分解增加，骨骼肌转向脂肪酸代谢为主。而在此代谢适应过程中，骨骼肌细胞AMPK 被激活，上调去乙酰化酶SIRT1，继而使AMPK的下游蛋白发生去乙酰化，如过氧化物酶体增殖物活化受体-γ共激活因子-1α（Peroxisome proliferator-activated receptor-γ coactivator -1α，PGC-1α）和叉头框转录因 子（Forkhead box O，FOXO）。PGC-1α 和FOXO 各自邻近的磷酸化位点和乙酰化位点发生修饰交互作用，共同激活蛋白，最终促进线粒体脂质氧化基因的转录调节[15，21-23]。除SIRT1外，研究还发现乙酰化酶P300 和去乙酰化酶HDAC1 也可以调节AMPK 乙酰化水平，而且当能量限制时，HDAC1激活而P300抑制，使AMPK 发生去乙酰化，促进AMPK 与其上游激酶LKB1结合，进而导致AMPK磷酸化激活[24]，调节其下游一系列信号通路。此外，AMPK 还可以作为表观遗传调节因子，调节组蛋白修饰状态。首先，AMPK可以诱导组蛋白发生磷酸化，包括组蛋白H1、H2、H3；其次，AMPK 通过抑制HDACs 促进组蛋白乙酰化[13，15，25]。而在真核生物中，组蛋白H3 会出现乙酰化和磷酸化交互，分别发生在第9、27 位点赖氨酸（K9、K27）与第10、28位点丝氨酸（S10、S28）残基上[13]，进而影响组蛋白活性，调控基因的表达。

具有运动模拟效应的药物也间接证明了运动可以诱导两者交互作用。HDACs抑制剂可以模拟运动效应[26]，在给予Ⅰ和Ⅱ型HDAC 抑制剂TSA 后，有研究发现癌细胞受体酪氨酸激酶的磷酸化增加，提示赖氨酸乙酰化和酪氨酸磷酸化之间可能存在交互[27]。而在心肌研究中，研究发现HDACs 抑制剂治疗心衰可能与蛋白磷酸化和乙酰化交互有关，即组蛋白和其他蛋白的乙酰化修饰在蛋白质结构和功能中具有重要作用，并引起某些蛋白磷酸化水平改变[28]。一方面，HDACs 抑制剂通过组蛋白乙酰化修饰来诱导磷酸酶表达，导致蛋白磷酸化下降，如Ⅰ类HDAC 抑制剂诱导磷酸酶DUSP5（dual-specificity phosphatase 5）表达，进而使激酶ERK1/2（extracellular signal-regulated kinase 1/2）去磷酸化来减少心肌损伤[29]。另一方面，乙酰化修饰通过直接调节蛋白激酶活性来改变磷酸化修饰，如蛋白激酶p38 MAPK 在K152、K53[30]以及磷酸酶DUSP1 在K57[31]位点分别发生乙酰化并影响其活性。另外，运动可以通过增加DUSP5的表达来影响ERK1/2信号，进而调节骨骼肌的肌肉适应[32]。因此，运动可能与HDACs抑制剂相似，可以通过蛋白质乙酰化和磷酸化交互作用来影响蛋白质功能。

综上，蛋白质磷酸化和乙酰化交互普遍发生于细胞活动中，增加了两种翻译后修饰功能的复杂程度。同时，运动可以诱导蛋白质在某些氨基酸位点上发生磷酸化和乙酰化交互，使细胞可以更快速并精准适应外界刺激。

3 蛋白质磷酸化和乙酰化交互作用与能量代谢

乙酰化和磷酸化是细胞中两种高频率的PTMs，广泛发生于不同的细胞场所，包括细胞质、细胞核以及线粒体。其中，线粒体作为真核细胞能量代谢的主要场所，参与葡萄糖、脂肪酸、氨基酸等能量底物的分解与合成代谢，对细胞ATP 生成至关重要。修饰组学技术的发展，进一步帮助我们了解这两种修饰及其交互对能量代谢的潜在意义。动物和植物的磷酸化组学和乙酰化组学研究发现，大量线粒体蛋白能同时被磷酸化或乙酰化，且两种修饰存在密切联系，两者交互可能通过ATP（磷酸化）和乙酰辅酶A（乙酰化）代谢调节细胞能量代谢[18，33，34]。此外，与线粒体表达或功能相关的转录因子也间接证明磷酸化与乙酰化交互的重要作用。例如，研究发现线粒体转录因子A（mitochondrial transcription factor A，TFAM）的磷酸化和乙酰化交互可以协调TFAM 和DNA 的结合[35]，进而维持线粒体DNA的稳定。

从物质代谢角度来看，蛋白磷酸化和乙酰化交互作用可以调节糖类代谢途径。例如，研究发现参与糖原代谢的关键酶糖原磷酸化酶（Glycogen phosphorylase，GP）发生赖氨酸乙酰化后，将促进其发生去磷酸化，进而抑制酶活性[36]。又例如参与糖异生的磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（phosphoenolpyruvatecarboxykinase，PCK）可以发生磷酸化和乙酰化交互作用，调节酶活性，从而促进回补反应并抑制糖异生[37]。有意思的是，PCK 磷酸化和乙酰化的交互作用易受能量供应影响，即高糖和低糖环境对PCK 的此两种修饰的调节不同[37]。除代谢酶外，胰岛素受体底物（insulin receptor substrate，IRS）的赖氨酸乙酰化有利于酪氨酸发生磷酸化，使IRS结合并激活下游效应物，促进胰岛素诱导的信号传导[38]，最终调节机体葡萄糖代谢。

蛋白磷酸化和乙酰化交互作用亦可调节脂代谢通路。例如，苹果酸酶（malic enzyme，ME）可以分别在S336和K337发生磷酸化和乙酰化，且这两种修饰相互抑制，影响脂质代谢[39]。而其他位点，如K140 和S280也出现类似的拮抗作用：ME 在K140 发生乙酰化后会增加酶活性，S280发生磷酸化会降低酶活性，而此两位点同时发生修饰的ME 酶活性与正常ME 相同[40]。另外，转录因子如PGC-1α活性由PTMs 调节，运动、营养限制、瘦素等可以诱导PGC-1α发生磷酸化和乙酰化交互作用，增强其活性，促进脂肪氧化[21，41]。

综上，蛋白质磷酸化与乙酰化交互作用不仅可以调节代谢相关转录因子活性，还可以直接调节代谢酶活性，因此在细胞能量代谢中具有重要作用。

4 小结

近些年来的研究揭示蛋白质磷酸化和乙酰化不是单一孤立的修饰过程，它们之间存在复杂且精确的联系。此外，磷酸化和乙酰化交互作用显著影响了蛋白质的活性、结构或者功能，进而调控细胞的生命活动。运动作为一种常见的细胞外刺激，可以影响蛋白质翻译后修饰网络。回顾过去研究，我们发现运动可以通过磷酸化和乙酰化交互作用调节蛋白质功能，进而影响机体的能量代谢。虽然对蛋白质PTMs 交互作用的鉴定引起了人们极大兴趣，但这是一个复杂且多层面的问题，并且有许多问题亟待解决，如蛋白PTMs 交互的具体位点及其交互机制。因此，进一步深入研究运动背景下蛋白乙酰化和磷酸化之间的相互作用，不仅可以加深对蛋白功能调控的认识，还有助于今后在预防和治疗各种代谢性疾病中开展运动疗法。