综述：蛋白质巴豆酰化在癌症中的作用：机制、功能与治疗潜力

《Cell Biology and Toxicology》：Protein crotonylation in cancer: mechanisms, functions, and therapeutic potential

本综述系统阐述了蛋白质巴豆酰化（Kcr）作为一种新型蛋白质翻译后修饰（PTM）在癌症中的核心作用。文章详细解析了Kcr的动态调控机制（由writers/erasers/readers执行），及其通过影响组蛋白与非组蛋白功能，在调控基因转录、代谢重编程（如Warburg效应）、DNA损伤修复及肿瘤免疫微环境等关键生物学过程中的功能。重点探讨了Kcr在肝癌、结直肠癌、乳腺癌等多种恶性肿瘤中的促癌或抑癌双重角色，并展望了以其调控网络为靶点的抗癌药物开发前景，为肿瘤精准治疗提供了新思路。

　　

蛋白质巴豆酰化（Kcr）是一种在组蛋白上发现的、由四碳烯酰基（含双键）构成的独特共价修饰。自2011年被报道以来，已鉴定出超过10,000个组蛋白和非组蛋白Kcr位点，显示出其广泛的分布和进化上的保守性。作为一种动态可逆的修饰，Kcr紧密连接细胞代谢状态与染色质调控及蛋白质功能，其失调与多种癌症的发生、发展、转移及治疗抵抗密切相关。

巴豆酰化研究的演进

Kcr的发现源于质谱技术的进步。最初在组蛋白H3上被识别，随后其调控机制迅速被揭示：p300/CBP、MOF、GCN5等乙酰转移酶被证实也具有巴豆酰转移酶（HCTs）活性，可作为“书写者”（writers）；而Sirtuin家族（如SIRT1、SIRT2、SIRT3）和组蛋白去乙酰化酶家族（如HDAC1、HDAC2、HDAC3）成员则扮演“擦除者”（erasers）的角色，负责去除巴豆酰化修饰。特别重要的是，YEATS结构域被鉴定为高亲和力、特异性的Kcr“阅读者”（reader），其通过独特的“芳香笼”结构与巴豆酰基的疏水链形成π-π共轭相互作用，识别效率远高于对乙酰化（Kac）的识别。随着蛋白质组学技术的发展，研究视野从组蛋白扩展到整个蛋白质组，发现Kcr广泛存在于细胞质、线粒体和细胞核的蛋白质中，参与代谢、细胞连接、催化等多种生物过程，使其从“染色质相关表观遗传标记”晋升为“全局细胞功能调控开关”。

巴豆酰化的调控机制

细胞内Kcr水平处于由“书写者”、“擦除者”、代谢底物和“阅读者”共同维持的动态平衡中。

“书写者”主要包括p300/CBP、MOF、GCN5等乙酰转移酶，它们利用巴豆酰辅酶A（crotonyl-CoA）作为底物催化Kcr。p300/CBP是哺乳动物细胞中主要的HCT，但其HCT活性仅为其HAT活性的1/62，表明辅因子可能增强其功能。增加crotonyl-CoA浓度可增强巴豆酰化并抑制乙酰化，两者存在竞争关系。

“擦除者”如SIRT1、SIRT2、SIRT3以及HDAC1、HDAC2、HDAC3等，具有去巴豆酰化酶活性，对不同底物或修饰位点可能具有选择性。

“墨水”crotonyl-CoA的细胞内浓度远低于乙酰辅酶A，使得Kcr修饰对代谢状态波动更为敏感。酰基辅酶A合成酶短链家族成员2（ACSS2）负责将巴豆酸转化为crotonyl-CoA。短链特异性酰基辅酶A脱氢酶（ACADS）、酰基辅酶A氧化酶3（ACOX3）以及戊二酰辅酶A脱氢酶（GCDH）也参与crotonyl-CoA的生成。相反，CDYL作为巴豆酰辅酶A水合酶，将crotonyl-CoA代谢转化为β-羟基丁酰辅酶A，从而抑制组蛋白Kcr。

“阅读者”如YEATS结构域、双PHD锌指（DPF）结构域和溴结构域，能特异性识别Kcr标记，并将其信号转化为细胞功能效应。其中YEATS结构域对Kcr的结合效率最强。

巴豆酰化的核心生物学效应

通过其独特的动态调控网络，Kcr在多个层面精确调控癌细胞功能。

在转录调控方面，AF9/ENL等阅读蛋白识别巴豆酰化标记，招募RNA聚合酶II至活性启动子和增强子区域，促进转录起始和延伸，这对快速反应基因至关重要。

在DNA损伤修复中，Ku80蛋白K568位点的去巴豆酰化促进其SUMO化，进而促进DNA-PK复合物组装并启动非同源末端连接，导致肿瘤放疗抵抗。GCN5介导的DNA-PKcs K525位点巴豆酰化增强其DNA结合和复合物形成能力，调节癌症的辐射敏感性，而HDAC3则发挥擦除作用。

在细胞代谢重编程中，Kcr扮演了关键角色。在肝细胞癌中，GCDH诱导的PPP和糖酵解相关蛋白（如PGD-K163cr, TKT-K140cr, ALDOC-K28cr）的巴豆酰化通过变构效应调节这些酶的活性，抑制Warburg效应。在乳腺癌中，缺氧诱导的ECHS1上调与PGK1相互作用，导致PGK1巴豆酰化水平降低，其酶活性丧失通过激活PDHK1促进糖酵解，抑制线粒体丙酮酸代谢，从而促进肿瘤发生。

巴豆酰化在癌症生物学中的作用

异常Kcr修饰在多种恶性肿瘤的进展中发挥重要作用。

在肝细胞癌（HCC）中，缺氧条件下整体Kcr水平上调，核纤层蛋白A（Lamin A）K265/270cr修饰增加，由HDAC6下调介导，该修饰维持Lamin A的亚细胞定位，促进HCC增殖并抑制细胞衰老。SEPT2 K74cr修饰增强肿瘤侵袭性，SIRT2负向调控此修饰。GCDH通过诱导代谢酶巴豆酰化抑制PPP和糖酵解，诱导细胞衰老并塑造抗肿瘤免疫微环境。

在结直肠癌（CRC）中，LINC00922通过隔离SIRT3，导致ETS1启动子区域H3K27cr积累，刺激ETS1转录并促进转移。p53缺失通过下调SIRT7导致RRM2 K283cr水平升高，介导对顺铂的耐药性。PTBP1 K266cr（由KAT2B催化）通过调控PKM基因选择性剪接，增加PKM2/PKM1比值，刺激糖酵解通量。PRKACA K84cr激活PKA-FAK-AKT信号通路，促进CRC细胞增殖、侵袭和迁移。

在乳腺癌中，缺氧条件下PGK1（K131, K156, K220）巴豆酰化水平降低，协调糖酵解和三羧酸循环以支持肿瘤生长。MCM6 K599cr（受SIRT7调控）在DNA复制应激反应中上调，增强乳腺癌对化疗药物的敏感性。

在胶质母细胞瘤（GBM）中，肿瘤干细胞（GSCs）通过上调SLC7A2（溶酶转运蛋白）和GCDH，同时下调ECHS1，导致crotonyl-CoA和整体蛋白Kcr水平（尤其是H4Kcr）显著积累。核内GCDH与CBP相互作用直接催化组蛋白巴豆酰化。H4Kcr富集于转座元件（TEs），抑制其转录和免疫原性dsRNA/DNA的产生，从而抑制cGAS-STING和MDA5通路介导的I型干扰素信号，帮助肿瘤免疫逃逸。

此外，Kcr在口腔鳞状细胞癌（HSP90AB1 Kcr促进糖酵解）、前列腺癌（BRD4调控的H3K18cr促进雄激素受体信号）、胰腺癌（MTHFD1 K354/553cr水平低促进NADPH产生并抑制铁死亡）以及非小细胞肺癌（BEX2 K59cr通过增强线粒体自噬调控化疗敏感性）等癌症中也发挥着特定作用。

巴豆酰化检测与抗癌药物开发

基于质谱的蛋白质组学技术是检测Kcr的主要方法，结合泛Kcr抗体或位点特异性抗体的富集策略，可实现Kcr位点的鉴定和定量分析。免疫学方法（如Western blot、免疫组化）也常用于检测整体或特定蛋白/位点的Kcr水平。

针对Kcr调控网络的抗癌药物开发潜力巨大。潜在策略包括：靶向“书写者”（如p300/CBP抑制剂）、靶向“擦除者”（如HDACs或SIRTs调节剂，以增加抑癌蛋白Kcr或降低促癌蛋白Kcr）、靶向“阅读者”（如YEATS结构域抑制剂）以及直接靶向关键效应蛋白（如PGK1、BEX2、RRM2、PTBP1、MCM6）的巴豆酰化状态。此外，特定蛋白的Kcr水平或状态有望成为肿瘤诊断、预后预测或疗效评估的生物标志物。

挑战与未来方向

尽管Kcr研究取得了显著进展，但仍面临诸多挑战，包括许多酶对底物的特异性识别不清、Kcr与其他PTMs（如乙酰化、磷酸化）之间存在复杂的“交叉对话”等。当前研究多基于细胞系，需要在更接近生理/病理条件的体内模型和临床样本中验证Kcr的功能。随着高通量组学技术、CRISPR基因编辑和化学生物学探针的发展，未来有望系统解析Kcr的动态调控网络及其在肿瘤精准治疗中的应用价值。