根据膜蛋白和膜脂的关系(蛋白质的脂酰化修饰（二）)

Posted 2023-05-29

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根据膜蛋白和膜脂的关系(蛋白质的脂酰化修饰（二）)

蛋白质的S-脂酰化（S-acylation）是指脂肪酸与半胱氨酸的巯基通过硫酯键相连。作为唯一完全可逆的蛋白质脂修饰，它可以影响蛋白质的结构、组装、成熟、运输和功能，从而调节膜受体、离子通道、酶促反应、信号转导和细胞粘附等多种生理过程。

S-酰化最典型的是棕榈酸，此外还有硬脂酸（18：0）、油酸（18：1）、花生四烯酸（20：4）和二十碳五烯酸（20：5）。定量分析表明，参与S-酰化的脂肪酸中，棕榈酸平均占74％，硬脂酸占22％，油酸占4％。而且棕榈酸发现最早，所以一些文献将所有的S-脂酰化统称为S-棕榈酰化。

S-酰化是翻译后修饰，发生在高尔基体。催化这一反应的酶属于蛋白质酰基转移酶（protein acyltransferase，PAT）家族，含有DHHC（Asp-His-His-Cys）序列，所以称为DHHC-PAT。由于DHHC基序形成锌指结构域，因此编码这些酶的基因称为含锌指DHHC（zDHHC）。

蛋白质的S-酰化与人体zDHHC。Physiol Rev. 2015 Apr; 95(2): 341–376.

现已发现24种人类zDHHC基因，命名为zDHHC1- 24（无zDHHC10，有ZDHHC11B）。这些zDHHC之间的底物亲和力和催化活性差异很大，其中zDHHC17和zDHHC13具有较强的底物结合能力，而zDHHC3和zDHHC7具有高效的S-酰化作用。

S-棕榈酰化通过两步机制进行。第一步是DHHC基序中的半胱氨酸残基被来自棕榈酰-CoA的棕榈酸酰化，形成酰基酶中间体。这一步通常称为自棕榈酰化。第二步是将棕榈酰基部分转移到蛋白质底物中的半胱氨酸巯基上。

S-酰化反应机制。NPJ Breast Cancer. 2016; 2: 16028.

S-酰化是一种可逆脂修饰，脱酰基反应由酰基蛋白质硫酯酶（acyl-protein thioesterase，APT）催化。[3H]棕榈酸脉冲追踪实验表明，掺入N -Ras的棕榈酸半衰期约为20分钟。但是不同的蛋白，甚至同一蛋白上的不同酰化位点，周转率都可能有很大差异。

S-酰化的底物多数是膜蛋白，主要包括跨膜蛋白和外周膜蛋白两大类。前者包括离子通道、受体、转运蛋白等，后者往往具有双重脂修饰，用于增强膜亲和力及状态调控，如Ras蛋白等。

O-脂酰化是脂肪酸与丝氨酸侧链羟基生成酯键。这种修饰较为罕见，一个例子是小鼠Wnt-3a的Ser209则被棕榈油酸（16:1）酰化，这一修饰与其运输定位有关。突变体S209A（209位Ser突变为Ala）无法正常分泌，而是保留在内质网中，进而导致发育异常。

Wnt3a的脂酰化缺陷导致功能异常。Dev Cell. 2006 Dec;11(6):791-801.

催化Wnt蛋白棕榈油酰化（Palmitoleoylation）的是蛋白质丝氨酸O-棕榈油酰转移酶，又称为porcupine（Porcn）。这个有趣的名字一听就是研究果蝇的人起的，它是Wnt的果蝇同源物Wingless（Wg）的正态分布所必需的，其缺陷导致果蝇幼虫皮肤细胞产生刺状突起。

Porcn属于MBOAT（膜结合的O-酰基转移酶）家族，最初被认为介导Wnt蛋白的棕榈酰化。后来发现Wnt-3a有两个脂酰化位点，它催化的是Ser209的棕榈油酰化。另一个位点是Cys77的S-棕榈酰化，也很重要，突变后激活Wnt信号的能力显著减弱。

棕榈油酰化反应在ER内腔中分两步进行。首先由硬脂酰辅酶A去饱和酶（SCD）在棕榈酰辅酶A的9位插入顺式双键，生成棕榈油酰辅酶A。然后由Porcn将其转移至Wnt蛋白。

Wnt蛋白的棕榈油酰化与分泌。Prog Lipid Res. 2016 Jul; 63: 120–131.

Wnt的棕榈油酰化是可逆的。Notum属于α/β水解酶超家族，能够催化Wnt蛋白脱去棕榈酰基。Notum的底物结合部位只能与顺式单不饱和脂肪酸结合，因而具有高选择性。

另一个可以发生O-脂酰化的蛋白是ghrelin（生长激素释放肽）。它是一种仅有28个残基的肽类激素，可以与生长激素促分泌素受体（GHSR）结合，从而促进生长激素分泌，还有增加食欲、促进胃酸分泌等功能。

ghrelin的3位丝氨酸可以被辛酰化，由Ghrelin O-酰基转移酶（Ghrelin O-acyltransferase，GOAT）催化。这个修饰是其活性所必须的。GOAT也属于MBOAT家族，人类的MBOAT家族共有16个成员，其中有三个催化蛋白质的脂酰化。第三个是HHAT，不过它催化的是hedgehog蛋白的N-棕榈酰化反应，这里就不再介绍了。

参考文献：

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2. Alison M Anderson, et al. Palmitoylation: a protein S-acylation with implications for breast cancer. NPJ Breast Cancer. 2016; 2: 16028.

3. Kimon Lemonidis, et al. The Golgi S-acylation machinery comprises zDHHC enzymes with major differences in substrate affinity and S-acylation activity. Mol Biol Cell. 2014 Dec 1;25(24):3870-83.

4. María-Eugenia Zaballa, et al. The molecular era of protein S-acylation: spotlight on structure, mechanisms, and dynamics. Crit Rev Biochem Mol Biol. 2018 Aug;53(4):420-451.

5. Ritsuko Takada, et al. Monounsaturated Fatty Acid Modification of Wnt Protein: Its Role in Wnt Secretion. Dev Cell. 2006 Dec;11(6):791-801.

6. Marilyn D. Resh. Fatty Acylation of Proteins: The Long and the Short of it. Prog Lipid Res. 2016 Jul; 63: 120–131.

Tracy M. Covey, et al. PORCN Moonlights in a Wnt-Independent Pathway That Regulates Cancer Cell Proliferation. PLoS One. 2012; 7(4): e34532.