综述：热应激相关疾病中的翻译后修饰

本综述系统阐述热应激通过动态重塑PTMs（翻译后修饰）网络驱动热射病等疾病的分子机制，重点揭示磷酸化、乙酰化、泛素化等修饰通过交叉对话、组织特异性特征等机制调控蛋白质稳态、代谢和炎症的核心作用，并探讨其作为生物标志物和治疗靶点的转化潜力。

　　

1 引言

热应激是机体对高温环境的核心生理反应，具有双重效应：适度热应激可激发适应性保护反应，而过度热暴露则引发病理性损伤。当热暴露超过生理极限时，会驱动蛋白质变性、氧化应激和全身性炎症，最终导致热射病（HS）——一种以核心体温>40°C和多器官衰竭为特征的危及生命的病症。在这张病理网络中，翻译后修饰（PTMs）作为蛋白质功能的精确调控者，通过共价添加磷酸基、乙酰基和泛素链等化学基团，动态控制蛋白质活性、定位、稳定性和相互作用网络，成为连接热应激刺激与细胞命运决策的分子枢纽。

2 热应激对细胞蛋白质稳态和PTM调控网络的影响

热应激作为一种强烈的生理扰动，通过多层次的机制冲击细胞蛋白质稳态，并深刻重塑PTMs的动态调控网络。当核心体温异常升高时，细胞首先激活保守的热休克反应（HSR），其核心调控因子热休克因子1（HSF1）本身受到PTMs的精确调控。磷酸化（如p38 MAPK介导的Ser303/Ser307位点）和乙酰化修饰协同调节HSF1的三聚化、核转位和DNA结合能力，从而驱动分子伴侣HSP70/HSP90的表达以维持受损蛋白质的折叠和修复。然而，当热应激强度超过生理补偿极限时，蛋白质变性、错误折叠和聚集加剧，诱导线粒体功能障碍和内质网应激。此时，泛素-蛋白酶体系统（UPS）和自噬通路被激活，通过泛素化标记并降解异常蛋白质。值得注意的是，热应激诱导的NADPH氧化酶激活和线粒体活性氧（ROS）爆发进一步通过S-亚硝基化直接攻击半胱氨酸残基，改变关键代谢酶和信号蛋白的功能，形成蛋白质稳态崩溃的恶性循环。

在信号转导层面，热应激迅速激活MAPK、NF-κB和AMPK等核心应激通路。这些通路的级联反应本质上是动态的PTM传递过程。研究发现高温通过磷酸化级联激活p38 MAPK，其下游靶标MK2进一步磷酸化HSP27的Ser82/Ser78位点，促进应激颗粒组装和溶酶体自噬以清除受损细胞器。同时，热应激抑制心肌细胞中AMPK Thr172的磷酸化，破坏葡萄糖/脂质代谢，减少ATP产生并导致乳酸积累。这些修饰事件并非孤立存在，而是形成复杂的“PTM交叉对话”。HSF1的K298位点SUMO化增强其磷酸化水平，协同放大热休克基因转录；而p53的稳定性受到磷酸化激活和MDM2介导的泛素化降解的双向调控，决定了热应激下的细胞命运。

热应激还通过代谢重编程间接扰乱PTM网络。线粒体功能障碍降低NAD⁺水平，抑制III类去乙酰化酶（Sirtuins）活性，导致代谢酶乙酰化修饰积累，从而抑制三羧酸循环并加剧能量危机。此外，热应激诱导H3K4me3甲基化和H3/H4乙酰化等组蛋白修饰重塑，通过表观遗传记忆机制调控热适应相关基因的转录可塑性，影响机体对重复热刺激的耐受性。

3 热射病与PTMs的相关性研究

3.1 磷酸化修饰在热射病中的变化与作用

蛋白质磷酸化是研究最广泛的翻译后修饰之一。在热射病期间，细胞中众多信号通路相关蛋白的磷酸化水平发生显著改变。MAPK通路作为关键细胞信号通路被显著激活，其关键蛋白ERK、JNK和p38的磷酸化水平增加，调控下游转录因子的活性，影响热休克蛋白等应激相关基因的表达。HSP27（HSPB1）作为小热休克蛋白家族成员，主要通过磷酸化发挥功能。研究发现，响应热应激诱导的溶酶体损伤，激活的p38 MAPK/MK2在热应激后磷酸化HSP27的Ser135和Arg136残基。磷酸化的HSP27招募到应激的溶酶体上并与溶酶体表面的p62小体相互作用，促进溶酶体自噬，这对于清除受损溶酶体和维持细胞活力至关重要。

MAPK介导的磷酸化还调节炎症通路，特别是通过NF-κB调控。在高温环境中，MAPK/ERK磷酸化IκBα的Ser74，促进NF-κB核转位以激活细胞存活相关基因来对抗热应激。一致地，研究发现暴露于高温会增加NF-κB p65和IκBα的磷酸化，促进抗凋亡蛋白HSP27的表达以抵抗热应激诱导的人脐静脉内皮细胞（HUVEC）早期凋亡并维持机体稳态。然而，对骨髓巨噬细胞的研究表明，在热射病期间会发生全身性炎症反应，磷酸化的NF-κB转位入核，激活炎症相关基因并诱导大量促炎细胞因子如TNF-α和IL-1β的产生，从而加剧热射病相关的炎症反应和组织损伤。定量分析显示，高温以复杂和非直观的方式调节单细胞中的NF-κB反应，这在基于高温的临床治疗策略中需要考虑。

此外，研究发现热应激通过诱导HSF1与ZBP1基因启动子的结合来增强Z-DNA结合蛋白1（ZBP1）的表达，促进RIPK3激酶磷酸化其底物混合谱系激酶结构域样蛋白（MLKL），诱导各种程序性细胞死亡，导致弥散性血管内凝血和多器官损伤。对小鼠运动性热射病（EHS）的研究表明，热应激诱导心肌细胞延迟的葡萄糖和脂质代谢功能障碍，其特征是糖酵解重编程、游离脂肪酸积累和三羧酸循环受损。正常情况下，AMPK磷酸化（如Thr172位点）已知可促进葡萄糖摄取和脂肪酸氧化以增加ATP产生；在热应激背景下，AMPK抑制与糖酵解增强、乳酸积累、脂肪酸合成增加和β-氧化减少有关，导致能量中断、细胞死亡和心功能不全。因此，促进AMPK Thr172磷酸化可能是缓解热射病诱导的心肌损伤的潜在策略。

3.2 乙酰化修饰在热射病中的变化与作用

乙酰化修饰通常发生在蛋白质的赖氨酸残基上。研究表明，在热射病期间，线粒体中一些代谢酶的乙酰化水平发生变化，影响线粒体能量代谢。三羧酸循环关键酶的乙酰化抑制其活性，减少细胞能量产生并加剧热应激诱导的细胞功能障碍。丙酮酸脱氢酶（PDH）是细胞代谢中的关键酶，参与葡萄糖代谢中丙酮酸的氧化脱羧，其乙酰化水平被热应激抑制，导致酶活性降低，丙酮酸氧化脱羧受阻，细胞能量代谢受损。由于细胞无法有效地将丙酮酸转化为乙酰辅酶A进入三羧酸循环产生能量，细胞在高温环境下能量供应不足，加剧热射病诱导的细胞和组织损伤。

在细胞核中，组蛋白乙酰化水平也因热射病而改变，影响染色质结构和基因转录活性，影响热休克蛋白等热应激相关基因的表达，并参与机体对热损伤的整体反应。研究发现热应激增加组蛋白H3和H4的乙酰化水平， loosening染色质结构以促进转录。在线虫中发现，组蛋白去乙酰化酶（HDAC）对于热应激期间激活线粒体未折叠蛋白反应是必要的，并通过与基因组组织者DVE-1相互作用诱导未折叠蛋白反应相关基因ChIP的转录，促进先天免疫和延长寿命。此外，烟曲霉中Hsp90的K27位点乙酰化使侵袭性曲霉对热应激敏感；抑制Hsp90去乙酰化并增加其乙酰化水平可以抑制烟曲霉的生长及其对唑类和棘白菌素的体外耐药性。

3.3 泛素化修饰在热射病中的变化与作用

泛素化涉及泛素分子通过泛素激活酶、泛素结合酶和泛素连接酶的联合作用共价结合到靶蛋白上。被标记的靶蛋白通常被蛋白酶体识别和降解，从而调节蛋白质的稳定性和水平。热应激可诱导细胞中一些受损或错误折叠的蛋白质发生泛素化，然后被蛋白酶体系统降解，以清除可能对细胞功能产生不利影响的蛋白质，维持细胞内环境的相对稳定。Nedd4是热应激下诱导泛素化的主要E3连接酶之一。研究发现Nedd4主要靶向热应激下的细胞质蛋白，并且这种泛素化过程需要Hsp40共伴侣蛋白Ydj1的参与，而底物中的特定结合基序（PY Nedd4结合基序）也促进泛素化。

肿瘤抑制蛋白p53在细胞应激反应、异常细胞增殖和DNA损伤中起重要调控作用。在正常细胞中，p53通过泛素依赖性蛋白酶体途径快速降解而维持在低表达水平。在电离辐射和热应激等刺激下，p53作为转录因子被激活并诱导p21、WAF1、gadd45、bax、p53AIP和PUMA等基因的表达，从而触发细胞周期停滞和凋亡。研究发现热应激抑制MDM2介导的p53泛素化，抑制p53降解，导致细胞内p53积累，以在热应激后维持稳定的p53表达。

泛素化对于热射病后细胞活性的恢复至关重要。真核细胞通过下调关键细胞活动并将细胞质mRNA隔离到称为应激颗粒的结构中来响应各种细胞应激，同时伴随着泛素化的全局增加。研究人员使用串联泛素结合实体（TUBE）蛋白质组学方法研究了体外培养的哺乳动物细胞热应激反应中的泛素化变化，详细说明了热射病特异性的泛素化模式。在人胚胎肾293T细胞中，他们发现热应激下的泛素化蛋白在应激颗粒中富集；当热应激后细胞活性恢复时，热休克诱导的泛素化是p97/含缬酪肽蛋白（VCP）介导的应激颗粒解聚和正常细胞活动（如核质运输和蛋白质翻译）恢复的先决条件。

然而，在热损伤过度的严重热射病中，泛素-蛋白酶体系统可能超载或功能障碍，导致正常功能蛋白质的过度泛素化和降解，从而影响正常细胞代谢、信号转导等生理过程，并加剧器官功能损伤。当细胞受到热应激损伤时，HSP70表达水平增加，其泛素化水平也发生变化。正常情况下，HSP70帮助蛋白质正确折叠并防止蛋白质聚集。然而，当错误折叠的蛋白质增加时，这些蛋白质被泛素化，并且HSP70与这些泛素化的蛋白质相互作用。一方面，HSP70通过泛素-蛋白酶体系统清除热诱导的异常蛋白质以维持细胞内稳定性；另一方面，如果泛素化失调，过度泛素化导致HSP70自身过度降解，降低细胞蛋白质折叠和修复能力，使细胞更容易受到热损伤并加剧病情。

此外，研究发现热应激促进E3泛素连接酶RNF20/40与其相应的E2泛素结合酶RAD6作用，单泛素化热休克转录因子eEF1BδL的赖氨酸381并招募p-TEFb到启动子区域，从而增强基因转录。此外，eEF1BδL和RNF20/40与HSF1相互作用共同促进热休克基因的表达。

3.4 甲基化修饰在热射病中的变化与作用

蛋白质甲基化是指甲基转移酶（MTs）将甲基转移到蛋白质特定氨基酸残基（如赖氨酸、精氨酸）的过程。作为与DNA结合的核蛋白，组蛋白N端尾的翻译后修饰是调节基因转录的关键机制，并与DNA甲基化协同参与染色质状态调节。组蛋白修饰在与热射病相关的热适应（AC）、脱适应（DeAC）和再适应（ReAC）中起重要作用。在适度的热刺激下，拟南芥中的HSFA2和HSFA3复合物通过诱导组蛋白H3赖氨酸4（H3K4）的高甲基化来促进转录记忆以维持机体稳态。此外，与组蛋白修饰相关的组蛋白释放可以作为热射病严重程度的标志物：EHS犬的血清组蛋白水平与疾病严重程度生物标志物呈显著正相关；EHS患者血浆外泌体中的组蛋白H3水平与器官功能障碍和疾病严重程度密切相关[曲线下面积（AUC）= 0.925]。

3.5 SUMO化修饰在热射病中的变化与作用

小泛素样修饰符（SUMO）修饰是PTMs的核心形式，是三种同源蛋白（SUMO1、SUMO2、SUMO3）与靶蛋白的共价结合，调节其亚细胞定位、功能和相互作用网络。在热应激反应中，SUMO2/3表现出显著的功能特异性，只有这两者参与热应激反应，通过形成多SUMO链驱动靶蛋白的空间重排和功能重塑，为热射病的分子病理机制提供关键见解。

热射病作为极端热应激的终末阶段，可诱导细胞内SUMO化谱的广泛重塑。研究表明，高温刺激触发数百种蛋白质（例如通过蛋白质组学鉴定出574种热应激响应底物）的SUMO2/3修饰，涉及细胞周期调控、凋亡信号转导、蛋白质折叠/运输和DNA损伤修复等核心通路。研究发现SUMO2/3修饰HSF1（K298位点）并促进其磷酸化（S303/S307位点），从而增强热休克基因转录活性。他们进一步证明SUMO2/3通过修饰DNA修复蛋白PARP1来缓解热应激诱导的基因组损伤。HSF1的K298位点SUMO化是热休克基因转录中的关键调控节点。使用SUMO化阻断突变（K298R）的研究表明，HSF1在S303/S307的磷酸化被废除，热休克基因的转录活性降低，证实了SUMO化和磷酸化之间的功能协同作用。相反，S303/S307的磷酸模拟突变（Ser→Asp）部分挽救了由K298R引起的转录缺陷，表明这些修饰之间存在层级交叉对话。通过动物模型证实，SUMO过表达小鼠的热惊厥发生率显著低于野生型小鼠，惊厥潜伏期延长且持续时间缩短。

3.6 S-亚硝基化修饰在热射病中的变化与作用

S-亚硝基化是一种氧化还原敏感的可逆PTM，其中NO或其衍生物与底物蛋白的半胱氨酸硫醇（-SH）反应形成S-亚硝基硫醇（SNO）。在生理条件下，S-亚硝基化通过影响蛋白质结构、稳定性、亚细胞定位、转录活性和分子间相互作用来调节蛋白质功能。S-亚硝基化参与多种肝脏疾病的发生和发展，其作用必须针对特定环境中的特定底物进行讨论。

高温通过激活NADPH氧化酶（NOX）和诱导线粒体功能障碍促进超氧阴离子（O₂^?）的产生。O₂^?与NO反应形成过氧亚硝酸盐（ONOO^?），加剧硝化应激并驱动S-亚硝基化。同时，热应激诱导多种炎症介质如TNF-α和IL-6的释放，刺激一氧化氮合酶（NOS）的表达和活性。NOS催化L-精氨酸产生NO，增加局部细胞内NO浓度，然后与蛋白质半胱氨酸残基反应形成SNO。一些细胞内氧化还原酶的活性和功能也受到影响和改变，例如重要细胞内抗氧化防御系统中谷胱甘肽（GSH）及其相关酶（谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）、谷胱甘肽还原酶（GR）和S-亚硝基谷胱甘肽还原酶（GSNOR））的含量和活性降低。这破坏了细胞内氧化还原平衡，改变了细胞中含硫化合物的氧化状态，这有利于S-亚硝基谷胱甘肽（GSNO）的形成。GSNO是一种高效的NO供体，通过转亚硝基化将SNO基团转移到蛋白质半胱氨酸残基上。此外，在热射病引起的氧化应激和代谢紊乱下，细胞内pH值变化影响蛋白质电荷分布和构象，使含有半胱氨酸残基的蛋白质更容易暴露其反应位点，从而增加与NO或其他酶试剂的反应性。这些因素为热应激诱导的S-亚硝基化提供了环境基础。

热射病中蛋白质S-亚硝基化的研究相对有限。研究表明RyR1 Y522S突变导致肌浆网Ca²⁺泄漏，增加胞质Ca²⁺并激活NOS，促进活性氮物种（RNS）的产生，从而诱导RyR1的S-亚硝基化。这种修饰显著增加了突变型RyR1通道的温度敏感性，使其在高温下更容易打开，进一步加剧Ca²⁺泄漏，并形成“Ca²⁺泄漏→RNS↑→S-亚硝基化→加剧的Ca²⁺泄漏”的正反馈循环。该循环导致持续性肌肉强直、横纹肌溶解和线粒体损伤（肿胀、脂质过氧化），最终导致多器官衰竭和猝死。抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸（NAC）可以阻断这一过程并减轻小鼠的热射病表型，突出了蛋白质S-亚硝基化在热射病中的重要作用。

3.7 热应激中的PTM交叉对话

PTM交叉对话在整合热应激信号中起着关键作用，几个关键的相互作用例证了这一点。HSF1的K298位点SUMO化增强其Ser303/307的磷酸化，协同放大热休克基因转录；p53的稳定性受到磷酸化（促进激活）和MDM2介导的泛素化（驱动降解）的双向调控，共同决定热应激下的细胞命运；HSP27的磷酸化促进其与泛素化p62的相互作用，将自噬与应激颗粒清除联系起来。值得注意的是，PTMs表现出明显的组织和阶段特异性：早期热应激以保护性PTMs为主，如HSP27磷酸化（促进自噬），而严重热射病则以病理性PTMs为特征，包括肌肉中RyR1的S-亚硝基化和心脏中AMPK的低磷酸化。组织特异性的PTM模式进一步出现，组蛋白修饰（如H3K4me3）驱动大脑中的转录记忆，而S-亚硝基化主导肝脏中的氧化还原失衡。然而，未解决的问题仍然存在，例如NF-κB的差异调控（高温下在内皮细胞中激活 vs 在骨肉瘤细胞中抑制），这可能源于细胞类型特异性的PTM交叉对话，以及HSP27磷酸化和SUMO化之间不清楚的关系（相互排斥或协同）。这些PTM交叉对话机制——例如SUMO化增强HSF1磷酸化以及HSP27磷酸化与p62泛素化的协调——在说明热休克蛋白质翻译后修饰及其在热应激反应中的功能作用的图中得到了直观总结。

4 PTMs作为热应激相关疾病的生物标志物和治疗靶点

4.1 PTMs作为诊断和预后的生物标志物

热应激相关疾病中PTMs的动态景观呈现出双重转化价值：作为早期诊断的精确生物标志物和作为干预的治疗靶点。特定的PTM改变与疾病严重程度密切相关，能够实现超越传统生物标志物的预后分层。例如，血浆外泌体中组蛋白H3水平升高（AUC = 0.925）灵敏地反映了EHS患者的多器官功能障碍，而热应激诱导的泛素化谱为早期预警提供了分子指纹。这些发现将基于PTM的检测方法——如磷酸化位点定量和SUMO化底物图谱分析——定位为临床风险评估的有前途的工具。

4.2 PTMs作为治疗靶点：干预与挑战

针对PTM网络的治疗策略显示出巨大潜力，但面临转化挑战。实验性干预包括：

? 通过N-乙酰半胱氨酸（NAC）抑制S-亚硝基化，破坏RyR1介导的Ca²⁺泄漏并降低临床前模型的死亡率。

? 使用二甲双胍恢复磷酸化以激活AMPK Thr172磷酸化，逆转心脏代谢功能障碍。

? 使用HDAC抑制剂（如伏立诺他）进行表观遗传调控以增强HSP70表达和蛋白质稳态。

? 通过靶向HSF1激活或p53-MDM2调控的小分子调节SUMO化/泛素化。

然而，这些方法面临特异性挑战（例如p38 MAPK抑制剂同时破坏保护性和病理性通路）、组织递送限制（需要纳米载体进行器官靶向治疗）、脱靶效应（例如HDAC抑制剂改变表观遗传记忆）和验证障碍（需要对基于PTM的生物标志物进行大队列研究）。

4.3 突变体研究与真实PTM分析的整合

对PTM机制的关键见解来自于采用PTM模拟突变体和PTM缺陷变体的研究。虽然此类突变体确立了位点特异性作用，但它们不能复制天然PTMs的动态的、酶调控的性质——其中激酶/磷酸酶循环或SUMO化/去SUMO化平衡适应生理线索。因此，将突变体数据与真实修饰蛋白（例如S-亚硝基化的RyR1或泛素化的应激颗粒）的分析相结合，可以全面理解PTM在热应激病理中的功能。

4.4 治疗转化中的器官特异性PTM模式

器官特异性PTM模式在介导热应激诱导的病理生理学 across vulnerable tissues中扮演 distinct roles。在心脏中，热射病抑制AMPK Thr172的磷酸化，将心肌代谢转向糖酵解，导致乳酸积累和心功能不全；相反，心肌细胞中HSP27 Ser135的磷酸化赋予针对溶酶体损伤的保护作用。在大脑中，热应激增强组蛋白H3和H4的乙酰化， loosening染色质结构以促进神经保护基因的转录，而血浆外泌体组蛋白H3水平与脑水肿的严重程度相关， serve as a potential prognostic marker。在肝脏中，抗氧化酶（如谷胱甘肽过氧化物酶）的S-亚硝基化损害氧化还原稳态，加剧肝脏炎症反应；此外，肝脏应激颗粒蛋白的泛素化对于热恢复期间恢复细胞功能至关重要。

5 结论与展望

本文全面阐述了磷酸化、乙酰化、泛素化、甲基化、SUMO化和S-亚硝基化等PTMs在热应激相关疾病中的核心作用。研究表明，热应激通过影响激酶/磷酸酶和乙酰转移酶/去乙酰酶等修饰酶网络，动态重塑关键蛋白（如HSF1、NF-κB、p53）的功能状态，从而调控细胞应激反应、代谢适应、炎症风暴和程序性死亡等病理生理过程。这些PTMs不仅是连接高温刺激和多器官损伤的分子枢纽，而且其修饰谱的时间变化可以作为评估疾病进展的“分子标尺”。

当前研究仍存在显著局限性。首先，大多数机制基于细胞或动物模型，缺乏热射病患者组织水平的动态PTM谱。其次，不同PTMs之间的交叉对话尚未在热应激背景下进行分析。第三，对器官特异性修饰的研究，如脑、肝和心损伤中的差异调控网络，不足。未来的研究还应关注关键PTM位点（如HSP27 Ser135）的突变分析，以阐明其在热应激反应中的因果作用。并且应专注于将修饰组学与单细胞测序技术相结合，以绘制热应激不同阶段的时空修饰谱；开发体内原位PTM成像方法以追踪修饰变化与器官损伤之间的因果关系；设计组织特异性纳米载体以精确调节病变器官中的PTM酶活性；并进一步探索外泌体组蛋白修饰等PTM生物标志物在热射病早期诊断和分层治疗中的应用价值。通过跨学科研究，PTM调控网络有望成为破译热应激疾病病理密码的关键突破口，为预防和治疗策略提供新靶点。