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本文聚焦微管蛋白乙酰化，深入探讨其调控机制、对微管特性和细胞功能的影响，以及在细胞稳态和应激中的作用。研究发现它参与细胞迁移、胞内运输等过程，且与多种疾病相关，对理解细胞适应和疾病治疗意义重大。
引言
微管是真核细胞细胞骨架的关键部分，由 α/β- 微管蛋白异二聚体聚合而成，其动态不稳定性使它能参与多种细胞过程。微管的正常功能依赖于其动力学和特性的严格调控，而微管蛋白的翻译后修饰（PTMs）是实现这种调控的重要机制，其中 α- 微管蛋白赖氨酸 40（K40）位点的乙酰化备受关注，它是唯一发生在微管内部（即微管腔）的 PTM，过去几十年对其机制和细胞功能的研究不断深入。
控制微管乙酰化的分子机制
α- 微管蛋白 K40 的乙酰化在 20 世纪 80 年代被发现，二十多年后才确定负责该修饰的酶是 α- 微管蛋白乙酰转移酶 αTAT1，它对 α- 微管蛋白 K40 的乙酰化高度特异。K40 乙酰化是可逆的，去乙酰化由去乙酰化酶 HDAC6 和 SIRT2 介导，这两种酶底物范围更广。αTAT1 对聚合态微管的催化效率更高，其进入微管腔的方式和机制是理解乙酰化调控的关键。
进入微管腔的途径
关于 αTAT1 进入微管腔有两种主要假说。一种是通过微管晶格的局部缺陷或间隙进入，这些缺陷可能因微管蛋白二聚体丢失、原丝数量变化或机械力作用产生，虽然多数间隙会修复，但可为 αTAT1 提供短暂进入位点。另一种是通过微管开放末端进入，体外和体内实验都有相关证据支持，但 Taxol 处理会改变微管晶格结构，影响 αTAT1 进入方式。此外，HDAC6 也能通过受损位点进入微管腔进行去乙酰化，它与微管相关蛋白（MAPs）的结合可能调节其进入微管腔的能力。不同微管成核位点的微管乙酰化程度不同，如高尔基体成核的微管比中心体成核的微管更易乙酰化，可能与微管结构特性影响 αTAT1 或 HDAC6/SIRT2 的进入有关。
αTAT1 和微管蛋白去乙酰化酶的调控
αTAT1 的活性受多种机制调控。在转录水平，MRTF/SRF 转录复合物、DNMT3A 和 p300 等参与调控其表达；在蛋白水平，p27Kip1可保护 αTAT1 免受蛋白酶体降解。αTAT1 的催化活性也可通过磷酸化动态调节，如 TAK1 和 CK2 磷酸化可增强其活性，PAK1 磷酸化则抑制其活性。此外，αTAT1 的核质穿梭受其 C 端信号序列和磷酸化状态调控，它与多种细胞结构和细胞器共定位，可精确控制微管乙酰化水平和空间分布。HDAC6 和 SIRT2 也可通过磷酸化调控，多种激酶可激活 HDAC6 的催化活性，导致微管乙酰化水平降低，而 EGFR 磷酸化 HDAC6 可增强微管乙酰化，SIRT2 的去乙酰化酶活性依赖 NAD+，代谢变化会影响微管乙酰化水平，αTAT1 和 HDAC6/SIRT2 的平衡动态调节微管蛋白乙酰化。
微管乙酰化的细胞后果
对微管结构和特性的影响
早期研究认为 K40 乙酰化与长寿命微管相关，可能参与微管稳定，但后续实验发现增加微管蛋白乙酰化并不能保护微管免受 Nocodazole 诱导的解聚，且 αTAT1 缺失不影响 Nocodazole 抗性微管的形成。冷冻电镜重建未发现乙酰化和去乙酰化微管晶格结构有明显差异，但近期研究表明乙酰化可改变微管机械特性，削弱原丝间横向相互作用，增强微管柔韧性，使其更好应对机械应力，保护微管不被破坏，还可改变纤毛中 B - 微管的原丝间角度，有助于维持其稳定性。
微管乙酰化的细胞功能
微管蛋白乙酰化在细胞迁移中发挥重要作用。在二维表面迁移的细胞中，αTAT1 招募到细胞前沿的网格蛋白包被小窝，使乙酰化微管呈极性分布，促进定向迁移；在刚性底物上，αTAT1 招募到粘着斑，增加微管乙酰化，促进 GEF-H1 释放，增强 RhoA 活性，提高细胞收缩性和迁移速度。在迁移的星形胶质细胞中，增加微管乙酰化可促进粘着斑周转，加快迁移速度，而 αTAT1 缺失会减少粘着斑数量，降低细胞粘附能力。在有扩增中心体的细胞中，增加乙酰化可增强核变形能力，使细胞在受限空间迁移更快，缺乏微管乙酰化会导致细胞迁移缓慢甚至破裂死亡。微管蛋白乙酰化在细胞内运输中也至关重要，主要在神经元中研究较多。乙酰化缺失会损害跨物种的极化轴突运输，增加微管乙酰化可挽救因 Huntingtin、LRRK2、HSPB1 和 FUS 基因突变导致的运输缺陷。在培养神经元中，HDAC6 抑制剂处理后，Kinesin-1 货物蛋白 JIP1 的运输模式改变，提示 Kinesin-1 可能优先结合乙酰化微管。超分辨率成像和单分子成像也证实 Kinesin-1 与稳定的乙酰化微管选择性相互作用，且乙酰化可促进自噬体的形成和运输。但在体外聚合微管中，乙酰化不促进 Kinesin-1 结合或运动，可能通过招募 MAPs 或改变微管网络结构间接影响 Kinesin-1，且 Kinesin-1 的运动可能与其他微管蛋白 PTMs 相互作用有关。
微管乙酰化在稳态和应激过程中的调控
正常情况下，大多数增殖细胞微管蛋白乙酰化水平较低，且与微管年龄有关。但近期研究表明，微管蛋白乙酰化水平还受其他因素调节。在稳态条件下，细胞在刚性底物上生长或受到血流剪切应力时，微管乙酰化水平会增加，有助于细胞适应细胞外环境。在触觉感知中，微管乙酰化也发挥重要作用，感觉神经元中微管乙酰化缺失会导致触觉敏感性缺陷。此外，微管乙酰化还与多种应激反应相关，如营养饥饿、DNA 损伤、氧化应激、高渗应激和中心体扩增等。抑制 αTAT1 阻断微管蛋白乙酰化会降低营养饥饿时的细胞存活率，DNA 损伤会促进微管乙酰化，缺失 αTAT1 会损害 DNA 双链断裂修复。氧化应激可使 HeLa 细胞和淀粉样 β 分泌细胞系的微管乙酰化增加，高渗应激可诱导微管乙酰化并影响早期内体逆行运输，中心体扩增也会使微管乙酰化增加，但乙酰化微管对细胞应对中心体扩增挑战的作用尚不清楚。不同应激诱导微管乙酰化的时间不同，可能通过直接改变 αTAT1 和去乙酰化酶的活性平衡实现，如氧化应激可增强 AMP 激酶介导的 αTAT1 磷酸化，提高其催化活性。部分应激还可通过损伤微管晶格增加 αTAT1 进入微管腔的机会，或通过增强微管成核增加 αTAT1 接触新生成微管开放末端的机会，从而促进微管乙酰化，但不同细胞类型的微管组织中心（MTOC）不同，其他 MTOC 成核是否影响微管乙酰化水平和分布有待研究。
结语
长期以来，微管蛋白 K40 乙酰化的机制和细胞生物学功能令人困惑，因其位于微管腔内部。近年来，其在细胞内运输等方面的功能逐渐被揭示，但分子机制仍不明确，且体外和细胞实验结果存在差异，提示乙酰化可能与其他 PTMs 或 MAPs 协同调节基于运动蛋白的运输。以往研究多集中于稳态条件下，近期发现它在细胞应激中也起重要作用，αTAT1 基因敲除小鼠无严重发育或生理异常，表明微管蛋白乙酰化在体内可能主要应对特定挑战或应激。在携带心肌病相关 LMNA 突变的小鼠中，恢复微管乙酰化水平可改善心脏功能，说明其在体内细胞适应中具有重要作用。微管蛋白乙酰化水平的增加依赖于 αTAT1 和去乙酰化酶活性平衡向 αTAT1 倾斜，多种机制可实现这一转变，不同应激诱导微管乙酰化的机制尚不清楚。微管蛋白乙酰化在多种疾病中存在失调，研究其调控机制及其在应激和疾病进展中对细胞适应的影响，可能为疾病治疗带来新的思路和方法。
