Science重要发现：揭示新型的蛋白质修饰

　　

生物通报道  来自斯克里普斯研究所（TSRI）的科学家们发现了一种新型的化学修饰，其影响了哺乳动物细胞中大量的蛋白质。这种修饰似乎对包括葡萄糖代谢在内的一些重要细胞过程起调控作用。进一步地研究这种修饰有可能推动深入地了解糖尿病、癌症和其他疾病的病因

TSRI化学生理学系主任、Skaggs化学生理学研究所成员Benjamin F. Cravatt说：“它似乎是葡萄糖代谢中的一种内在反馈机制，但我怀疑它在整个细胞中还发挥了其他的功能，如果这些功能得到更充分地阐明，将会一样地令人感兴趣。”

Cravatt和他的博士后研究人员Raymond E. Moellering将研究结果报告在8月2日的《科学》（Science）杂志上。

寻找新蛋白质修饰子

Cravatt实验室长期研究可以改变蛋白质功能，开启或关闭它们的生物学活性，或是从其他方面改变它们的自然化学修饰。得到较好了解的化学修饰包括磷酸化作用和乙酰化作用。

为了搜寻新的蛋白质修饰子，Cravatt和Moellering决定对称作为1,3二磷酸甘油酸（1,3-BPG）的小分子展开研究。这一分子的化学组成表明，它可能很容易与某些蛋白质产生反应形成半永久性的、改变功能的修饰。1,3-BPG是在糖酵解过程中生成的主要“中间产物”分子之一。糖酵解是将葡萄糖转化为细胞燃料的一种核心代谢信号通路。

“考虑到1,3-BPG是这样一种中间代谢产物，它的内在反应在我们看来有些奇怪，”Moellering回忆说。

Moellering的初期试管实验表明，1,3-BPG确实与某些赖氨酸发生反应改变了GAPDH这一介导1,3-BPG生成的酶。“它向我们第一次表明发生了这种反应，我们因此开始在细胞内找寻它，”他说。

在葡萄糖代谢中起作用

在设计出一些新的方法在人类细胞培养物中检测这一独特的赖氨酸修饰后，Moellering很快发现，它存在于其他的一些葡萄糖代谢酶，以及看似与葡萄糖代谢无关的蛋白质上。

“我们所走的每一步，都让这一项目变得更加的有趣，因为我们发现了一些迹象，表明这种反应不仅频繁发生于细胞和动物组织中，还存在于意外的细胞位置，”Moellering说。

他不仅在细胞溶质中的蛋白质上检测到了这种新赖氨酸修饰的标记，也在细胞核中，甚至是细胞膜区室上检测到了它。

Cravatt说：“看起来无论GAPDH在细胞内的何处，它都能够催化局部生成1,3-BPG，1,3-BPG转而与邻近的蛋白质产生反应改变了它们的结构和功能。”

Moellering发现，当1,3-BPG赖氨酸修饰发生在葡萄糖代谢酶上时，它往往会抑制葡萄糖代谢酶的活性，减慢重要的葡萄糖加工过程，由此导致加工信号通路中的某些葡萄糖代谢产物累积。Moellering和Cravatt怀疑，这些过多的代谢产物可能最终分流到了除基本燃料生成之外的其他细胞过程中，这些过程促进了新分子合成，甚至细胞增殖。

Moellering还发现，1,3-BPG以及它对蛋白质所做的修饰随着葡萄糖水平增高而更加的普遍。在葡萄糖代谢情况下，1,3-BPG修饰似乎充当了调控重要代谢信号通路的一个非常古老的反馈机制。

展望未来

细胞内葡萄糖加工异常是包括癌症和糖尿病在内的许多重大疾病的特征。“例如，相比于同类型的非癌细胞，癌细胞生成的葡萄糖要高20倍，”Moellering说。现在他想要查明1,3-BPG是否是这些细胞中问题的组成部分。在异常高水平时，可以料想它可能帮助将葡萄糖代谢推向了失控的细胞增殖，这是癌症的一个标志。

Moellering和Cravatt还想更多地了解1,3-BPG赖氨酸修饰在细胞核以及细胞膜区室中的作用。“我们怀疑它也是作为一种信号传递机制，将葡萄糖代谢与其他的信号通路连接到了一起，”Moellering说。

Moellering发现的证据表明，有一些酶发挥作用逆转了1,3-BPG对赖氨酸的修饰，表明这种修饰有可能是细胞中一种基础的、动态的机制。“我们想查明是哪些酶催化了除去这一修饰。因为从原理上，我们能够利用这些酶的抑制剂来控制这种修饰的水平，更好地了解它的生物功能以及它发生的条件，”Cravatt说。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Functional Lysine Modification by an Intrinsically Reactive Primary Glycolytic Metabolite

The posttranslational modification of proteins and their regulation by metabolites represent conserved mechanisms in biology. At the confluence of these two processes, we report that the primary glycolytic intermediate 1,3-bisphosphoglycerate (1,3-BPG) reacts with select lysine residues in proteins to form 3-phosphoglyceryl-lysine (pgK). This reaction, which does not require enzyme catalysis, but rather exploits the electrophilicity of 1,3-BPG, was found by proteomic profiling to be enriched on diverse classes of proteins and prominently in or around the active sites of glycolytic enzymes. pgK modifications inhibit glycolytic enzymes and, in cells exposed to high glucose, accumulate on these enzymes to create a potential feedback mechanism that contributes to the buildup and redirection of glycolytic intermediates to alternate biosynthetic pathways.