综述：疾病中的赖氨酸巴豆酰化：机制、生物学功能和治疗靶点

《Epigenetics & Chromatin》：Lysine crotonylation in disease: mechanisms, biological functions and therapeutic targets

这篇综述聚焦赖氨酸巴豆酰化（Kcr），阐述其在疾病中的作用机制、功能及治疗潜力。

　　

引言

1942 年，奥地利发育生物学家 Conrad Waddington 首次提出了表观遗传学的概念。蛋白质翻译后修饰（PTM）作为表观遗传调控的重要机制，参与了 DNA 复制、转录、细胞分化和代谢等过程。随着高分辨率质谱技术的发展，人们发现了众多新的组蛋白 PTM，包括赖氨酸乙酰化（Kac）、丁酰化（Kbu）、巴豆酰化（Kcr）等，这些修饰在细胞的生理和病理过程中发挥着关键作用。

Kcr 是一种进化上保守且广泛存在的非乙酰化组蛋白酰化修饰，它通过巴豆酰转移酶以巴豆酰辅酶 A 为底物，将巴豆酰基转移到赖氨酸残基上。巴豆酰辅酶 A 是线粒体和过氧化物酶体脂肪酸氧化以及赖氨酸和色氨酸代谢的中间产物，Kcr 水平常常反映细胞内巴豆酰辅酶 A 的浓度变化，将细胞代谢状态与靶蛋白功能直接联系起来。2017 年，Wei 等人在 HeLa 细胞系的非组蛋白蛋白质上发现了 Kcr。尽管 Kcr 与 Kac 在调节因子和修饰位点上存在重叠，但巴豆酰基独特的结构表明 Kcr 具有独特的生物学功能。Kcr 参与了基因转录调控、染色质重塑、细胞周期和 DNA 损伤修复等生理过程。

Kcr 的研究进展

2011 年，Tan 等人在芝加哥大学通过质谱技术发现了组蛋白上的巴豆酰化修饰，鉴定出 67 种之前未报道的组蛋白标记，后续研究揭示了组蛋白 Kcr 在进化上高度保守，且在功能上与 Kac 不同，其在减数分裂后单倍体细胞中标记特定的 X 连锁基因，使其逃脱性染色体失活，这表明巴豆酰化在基因激活中起着关键作用。

2017 年，Liu 等人报道了染色质结构域 Y 样转录共抑制因子（CDYL）作为巴豆酰辅酶 A 水合酶，在精子发生过程中下调组蛋白 Kcr 水平。同年，Wei 等人在非组蛋白 Kcr 研究方面取得突破，在 HeLa 细胞系中鉴定出 453 种蛋白质上的 558 个 Kcr 位点，证实 Kcr 可调节多种蛋白质功能和细胞通路。Zhang 等人在 H1299 肺癌细胞中鉴定出 1024 种蛋白质上的 2696 个 Kcr 位点，并发现乙酰转移酶如 CBP、PCAF 和 hMOF 可催化非组蛋白 Kcr，而脱乙酰酶如 HDAC1 和 HDAC3 则介导去巴豆酰化。

近年来，研究人员在多种物种的蛋白质上鉴定出大量 Kcr 位点，包括人类、酵母、斑马鱼、烟草和水稻等。Zheng 等人在胰腺细胞系中鉴定出 1533 种蛋白质上的 4187 个 Kcr 位点，发现亚甲基四氢叶酸脱氢酶 1（MTHFD1）的低巴豆酰化会损害铁死亡并促进胰腺癌（PDAC）的进展。

Kcr 的调控机制

Kcr 等 PTM 受酰基辅酶 A 代谢的调控，在特定生理条件下会发生波动。Kcr 的调控与其他酰化修饰类似，受细胞内巴豆酰辅酶 A 浓度的影响，并由巴豆酰转移酶和去巴豆酰酶动态控制。

Kcr 的 “写入者”

巴豆酰转移酶通常被称为 Kcr 的 “写入者”，在 Kcr 修饰过程中发挥关键作用。已知组蛋白乙酰转移酶（HATs）具有组蛋白巴豆酰转移酶（HCT）活性，p300/CREB 结合蛋白（p300/CBP）、Gcn5 相关的 N - 乙酰转移酶（GNAT）和 MYST（MOZ、Ybf2/Sas3、Sas2 和 TIP60）这三大 HAT 家族都被报道可作为 HCT，以巴豆酰辅酶 A 为底物催化 Kcr。

2015 年，Sabari 等人报道 p300/CBP 可催化 H3 赖氨酸 18（H3K18）的巴豆酰化，且该修饰比 p300 催化的组蛋白乙酰化更能有效促进基因转录激活。研究还发现 p300 和 CBP 是哺乳动物细胞中的主要 HCT，不过 p300 的脂肪族后口袋限制了其 HCT 活性，使其比 HAT 活性低 62 倍，推测可能存在辅助因子增强其功能。MOF 可催化 H3K4、H3K9、H3K18、H3K23、H4K8 和 H4K12 等位点的巴豆酰化，这种催化活性在进化上是保守的，如酵母中的 Esa1 可催化 H4K5、H4K8、H4K12 和 H4K16 的 Kcr。此外，HBO1 在体内可催化 H3K14cr 和 H4K12cr，近期还发现了新型巴豆酰转移酶 YjgM，它通过调节 PmrA K164cr 改变大肠杆菌的耐药性。

HATs 不仅调节组蛋白 Kcr，还控制许多非组蛋白 Kcr 修饰，影响关键的细胞通路。例如，CBP 和 hMOF 强烈巴豆酰化非组蛋白 NPM1，PCAF 对其有中等程度的巴豆酰化活性；CBP 催化非组蛋白 DDX5 的 Kcr，而 p300、PCAF 和 hMOF 则无此活性。赖氨酸乙酰转移酶 7（KAT7）在亮氨酸缺乏时可直接结合钙网蛋白（calnexin）并巴豆酰化其 K525 位点，调节钙网蛋白向溶酶体的转运并控制雷帕霉素激酶 1（MTORC1）的活性；TIP60 介导 EB1 赖氨酸 66 位点的巴豆酰转移酶活性，参与有丝分裂。

Kcr 的 “擦除者”

去巴豆酰酶被称为巴豆酰化的 “擦除者”，能够去除生物体中的巴豆酰化修饰。组蛋白脱乙酰酶（HDACs）分为四类：NAD⁺依赖的沉默调节蛋白家族（SIRTs，III 类：Sirt1 - 7）和 Zn^{2 +}依赖的组蛋白脱乙酰酶家族（HDACs，I 类：HDAC1、2、3 和 8；II 类：HDAC4、5、6、7、9 和 10；IV 类：HDAC11）。研究人员通过功能评估证实了 HDACs 的组蛋白去巴豆酰酶（HDCR）活性。

基于肽的体外筛选实验首次鉴定出 HDAC3 - NCoR1 复合物的 HDCR 活性，该活性可被 HDAC 抑制剂如伏立诺他和阿比西丁抑制。HDAC1 调节 H3K4、H3K9、H3K23、H4K8 和 H4K12 的巴豆酰化，HDAC2 调节 H2BK12cr 的修饰水平。在小鼠胚胎干细胞（ESCs）中删除 HDAC1/2 会使全局组蛋白巴豆酰化水平升高，总 HDCR 活性降低 85%。除了调节组蛋白巴豆酰化位点，HDAC1 和 HDAC3 还使非组蛋白 NPM1 去巴豆酰化，HDAC3 在成肌分化过程中降低非组蛋白 AKT1 的 Kcr 水平。研究还发现 HDAC6 可调节核纤层蛋白 A（lamin A）在 K265/270 位点的巴豆酰化，HDAC7 通过调节非组蛋白 14 - 3 - 3ε 的 K73 和 K78 Kcr 影响亮氨酸缺乏诱导的自噬。

III 类 HDACs 中的 SIRT1 和 SIRT2 在体外可下调 H3K9cr，SIRT1 介导 H2AK119 的 Kcr，SIRT3 作为 HDCR，调节活细胞中组蛋白 Kcr 动态和基因转录。FoSir5（人类 SIRT5 的同源物）通过下调 H3K18cr 降低有氧呼吸途径酶的转录本水平，SIRT6 敲低会显著增加体外 H3K27cr 水平，SIRT7 可诱导 PHF5A 的 K25 去巴豆酰化，从而调节衰老。这些结果表明 SIRT1/2/3/5/6/7 是有效的蛋白质 HDCR。

Kcr 的 “读取者”

能够特异性识别修饰并将其转化为细胞内各种功能结果的蛋白质被称为 “读取者”。在细胞核中，读取蛋白对组蛋白修饰位点的识别对于生理功能至关重要。目前已鉴定出三种识别 Kcr 的结构域：YEATS（YAF9、ENL、AF9、TAF14 和 SAS5）、双 PHD 手指（DPF）和溴结构域。DPF 和 YEATS 结构域优先识别 Kcr。

2016 年，YEATS 结构域被鉴定为第一个有效的组蛋白 H3K9、H3K18 和 H3K27 位点 Kcr 读取器，在基因转录中起关键作用。研究证实 YEATS 结构域优先结合较长的酰基链，对 Kcr 具有最强的亲和力，如人类 YEATS2 蛋白的 YEATS 结构域特异性识别组蛋白 H3K27 位点的 Kcr，但不识别 H3K9、H3K14 或 H3K23 位点的 Kcr。

Xiong 等人发现，通常识别赖氨酸甲基化的 PHD 结构域也能识别 Kcr，MOZ 和 DPF2 中 DPF 结构域的疏水结合区域强烈识别 H3K14cr，但不识别 H3K9cr、H3K18cr 或 H3K27cr。目前关于 Kcr 识别因子仍有许多待探索的内容，对其的鉴定将有助于更精确地理解 Kcr 在细胞中的功能。

其他调节因子

Kcr 来源于巴豆酰辅酶 A，其水平可直接调节 Kcr。一组代谢酶通过调节巴豆酰辅酶 A 的产生、转化和稳定来调节 Kcr 水平。酰基辅酶 A 合成酶短链家族成员 2（ACSS2）将巴豆酸转化为巴豆酰辅酶 A，敲低 ACSS2 会降低细胞内巴豆酰辅酶 A 和组蛋白 Kcr 水平，表明巴豆酸可能是巴豆酰辅酶 A 的潜在内源性来源。酰基辅酶 A 脱氢酶短链（ACADS）在脂肪酸氧化过程中将丁酰辅酶 A 转化为巴豆酰辅酶 A，酰基辅酶 A 氧化酶（ACOX3）在内胚层分化过程中是主要的巴豆酰辅酶 A 产生者。戊二酰辅酶 A 脱氢酶（GCDH）在赖氨酸、羟赖氨酸和色氨酸代谢过程中将戊二酰辅酶 A 氧化为巴豆酰辅酶 A。CDYL 作为巴豆酰辅酶 A 水合酶，将巴豆酰辅酶 A 转化为 β - 羟基丁酰辅酶 A，负向调节组蛋白 Kcr，可降低 H2BK12、H3K9、H3K27 和 H4K8 位点的 Kcr 水平。

蛋白质 Kcr 的生物学功能

基因调控

组蛋白巴豆酰化在调节基因表达中起着至关重要的作用。研究表明，人类体细胞和小鼠精子细胞中的组蛋白巴豆酰化与基因启动子和增强子密切相关，表明其在转录激活中的作用。p300 催化的组蛋白巴豆酰化比组蛋白乙酰化更能有效增强转录激活。研究发现 SIRT3 抑制 PtK2、Tshz3 和 Wapal 的表达，而组蛋白巴豆酰化与这些基因的转录起始位点共定位，提示其促进转录的作用。在急性肾损伤（AKI）的研究中发现，肾脏组织中的组蛋白巴豆酰化可激活 PGC - 1 和 SIRT3 的表达，保护肾脏免受损伤。组蛋白 H3K4、H3K9、H3K18、H3K27 和 H2BK12 位点的巴豆酰化可促进转录激活。

然而，升高的 Kcr 水平也会抑制与生长和内吞作用相关的基因表达，发挥潜在的负调控作用。研究显示，NEAT1 调节 p300 酰基转移酶活性，调节内吞作用相关基因转录起始位点附近的 H3K27cr 和 H3K27ac 水平，从而抑制其转录。抑制 NEAT1 会降低 H3K27ac 水平，同时通过抑制乙酰辅酶 A 的产生增加 H3K27cr 水平。在酵母细胞中，脂肪酸氧化增加时，H3K9cr 水平升高，H3K9ac 水平降低，抑制了由 H3K9ac 激活的生长相关基因的表达。

染色质重塑

Kcr 作为一种翻译后修饰，显著影响染色质重塑，进而影响基因表达和各种细胞过程。例如，组蛋白 H3 赖氨酸 18（H3K18）和组蛋白 H4 赖氨酸 8（H4K8）的巴豆酰化与活跃转录和开放染色质状态相关，有利于转录机器的进入。近年来对非组蛋白蛋白质中 Kcr 的研究表明，它在染色质动力学和细胞功能的更广泛方面发挥作用。特异性识别巴豆酰化赖氨酸的 “读取者” 的发现，进一步增加了 Kcr 影响染色质重塑和基因调控的复杂性。

DNA 损伤修复

近期研究表明，Kcr 在 DNA 损伤修复（DDR）中起着关键作用，它通过调节染色质可及性和招募 DNA 修复因子来实现。研究发现 GCN5 介导 DNA 依赖性蛋白激酶催化亚基（DNA - PKcs）的巴豆酰化，促进 DNA 双链断裂通过非同源末端连接（NHEJ）途径的修复，并影响癌症的放射敏感性。复制蛋白 A1（RPA1）的巴豆酰化在 DNA 损伤修复中也起着关键作用，DNA 损伤时，RPA1 在 K88、K379 和 K595 位点的巴豆酰化水平升高，促进其与单链 DNA 的结合，增强其向 DNA 损伤位点的招募，促进同源重组修复过程。由于巴豆酰辅酶 A 的可用性决定 Kcr 水平，代谢改变（如氧化应激或营养缺乏）可能影响 DNA 修复效率。Kcr 通过调节染色质状态、招募修复蛋白和整合代谢信号来促进 DDR，但它与其他 PTM 的相互作用及其在 DNA 修复缺陷疾病中的治疗潜力仍需进一步研究。

Kcr 与多种疾病的关系

随着对 Kcr 研究的不断深入，其与多种疾病的联系逐渐被揭示，这为疾病治疗提供了潜在的药物靶点。

神经系统疾病

• 阿尔茨海默病：阿尔茨海默病（AD）是一种中枢神经系统退行性疾病，主要影响老年人或早老期人群。研究发现，长链非编码 RNA NEAT1 在早期 AD 中下调，导致内吞作用相关基因表达降低，引发神经炎症。NEAT1 可影响 p300 的 HAT 活性，改变相关基因转录起始位点附近的 H3K27ac 和 H3K27cr 水平。此外，藏红花的主要成分番红花苷通过下调 Kcr 发挥神经保护作用，但 Kcr 在 AD 发病机制中的精确调控作用仍有待进一步研究。
• 缺氧缺血性脑病：缺氧缺血性脑病（HIE）是由于氧和血流减少导致大脑营养供应不足。HIE 大鼠中 H3K9cr 水平降低，下调了与 HIE 相关的神经营养基因表达，导致大脑皮层和海马体病理损伤。丁酸钠（SB）可通过肠 - 脑轴逆转和改善 HIE 诱导的脑损伤，基于现有研究，SB 有望应用于 HIE 的临床治疗。
• 抑郁症：抑郁症（MDD）受生活压力、创伤事件和表观遗传修饰的影响。研究发现，应激易感的啮齿动物内侧前额叶皮质中组蛋白 Kcr 水平较低，同时 CDYL 表达上调。过表达 CDYL 会导致小鼠出现社交回避行为和快感缺失，而敲低 CDYL 可预防慢性社会挫败应激诱导的抑郁样行为。CDYL 通过对 VGF 神经生长因子诱导基因的转录抑制，抑制结构突触可塑性，这一过程依赖于其对组蛋白 Kcr 和 H3K27 三甲基化在 VGF 启动子上的双重作用，表明 CDYL 介导的组蛋白 Kcr 在调节 MDD 中起关键作用，但目前关于抑郁症与 Kcr 的直接研究较少，仍需进一步探索。
• 神经性疼痛：蛋白质中 Kcr 的异常调节可能在神经性疼痛中起重要作用。研究发现 Kcr 广泛存在于三叉神经节（TG）的巨噬细胞、感觉神经元和卫星神经胶质细胞中。外周神经损伤会使 TG 巨噬细胞中 Kcr 水平升高，感觉神经元中 Kcr 水平降低。抑制 p300 可显著减轻神经损伤诱导的机械性异常疼痛和热痛觉过敏，而给予巴豆酰辅酶 A 三锂盐上调 Kcr 则会诱导疼痛反应。机制上，抑制 p300 可减轻巨噬细胞激活，减少疼痛相关炎症细胞因子的表达，因此，靶向修饰 Kcr 的酶可能为神经性疼痛或神经炎症相关疾病提供治疗策略。
• 神经发育疾病：许多研究表明组蛋白甲基化和 Kac 在神经发育中起关键作用。研究发现，主要定位于活性启动子区域的组蛋白 Kcr 可调节神经干细胞 / 祖细胞（NSPCs）的代谢和增殖相关基因。升高的组蛋白 Kcr 可激活双价启动子，通过增加染色质开放性和招募 RNA 聚合酶 II（RNAP2）刺激 NSPCs 中的基因表达，促进神经元分化。此外，研究还发现 H3K9cr 在神经命运特化中起作用，表明 Kcr 可能是治疗神经发育障碍和神经系统疾病的潜在靶点。

牙科疾病

对牙周膜干细胞（PDLSCs）的研究发现，成骨诱导后 PDLSCs 中 Kcr 水平显著上调，且与 PI3K - AKT 信号通路相关。用<