异戊烯化在疾病中的作用进展和潜力
蛋白质异戊烯化是一种普遍存在的共价翻译后修饰，其特征是在位于蛋白质羧基末端附近的半胱氨酸残基上添加法尼基或香叶基类异戊二烯基。它对许多蛋白质的适当定位和细胞活性至关重要。除了在细胞生理学中发挥作用外，异戊烯化过程在人类疾病中也具有重要意义，近年来，它已成为具有治疗潜力的抑制剂的有吸引力的靶点。
异戊烯化是一个多步骤的酶促过程，其中三个戊烯基转移酶催化这种修饰，将疏水的戊烯基片段添加到蛋白质上。法尼基转移酶(FTase)、香叶基转移酶I(GGTaseI)和Rab香叶基-香叶基转移酶(RabGGTase或GGTaseII)。这些酶进行法尼基化，将C15片段(3个异戊二烯单位)转移到半胱氨酸侧链上，或进行香叶基化，其中转移C20片段(4个异戊二烯单位)。FTase和GGTaseI通常被称为CAAXpases，因为它们识别一个被称为CAAX盒的四氨基酸C端基序，其中C是半胱氨酸，A通常是脂肪氨基酸，X可以是各种氨基酸。然后，蛋白质可以通过Ras转化CAAX内肽酶1(RCE1)进一步加工，它去除AAX残基。异戊酰半胱氨酸羧基甲基转移酶(ICMT)，它在羧基末端异戊二醇修饰的半胱氨酸残基上“盖上”一个甲基。RabGGTase在结构和功能上都与CAAXpases不同，因为它识别Rab蛋白的整体结构，而不是短的C端序列。这是一种辅助Rab护送蛋白介导的识别，该蛋白可以结合哺乳动物的Rab蛋白，并将其呈递给RabGGTase的催化亚基。
三种pase的蛋白质底物在性质上是非常不同的。这一组包括异三聚体G蛋白的γ-亚基、着丝粒蛋白、细胞周期和凋亡的调节因子、核结构蛋白(如层蛋白)、糖原代谢酶和视觉级联蛋白，但研究最广泛的一组是由小G蛋白超家族组成的，包括众所周知的Ras、Rab、Rho和Rac。小G蛋白是调节多种细胞过程和功能的重要信号蛋白，如细胞生长、分化、细胞骨架组织和囊泡运输。的异戊烯化状态
小G蛋白影响它们的细胞内运输、亚细胞定位和与底物的相互作用。因此，预甲基化修饰了小G蛋白的功能及其下游效应物的功能。除了在细胞生理学中的作用外，CAAX蛋白的前置酰化和后前置酰化在人类疾病中具有重要意义，近年来，这些蛋白已成为寻找具有治疗潜力的抑制剂的有吸引力的靶点。
下面我们会介绍一些与异戊烯化相关的疾病：
早衰综合征(Hutchinson-Gilford，HGPS)，是一种散发性常染色体显性区段遗传疾病，每400万人中就有一人过早衰老。它是由LMNA基因的一系列单点突变引起的，是诱导选择性剪接导致致病异常的翻译lamin A蛋白。LMNA中引起HGPS的主要突变是单核苷酸替换，它改变了纤层蛋白A转录物的剪接，导致帧内缺失50个氨基酸。这种缺失使前纤层蛋白A的CAAX基序保持完整，可用于法尼化和甲基化，但它消除了ZMPSTE24切割位点，阻止突变的前纤层蛋白A转化为纤层蛋白A。在培养的成纤维细胞中，前纤层蛋白A的积累也会导致细胞核畸形，并导致HGPS的所有疾病表型。
用于HGPS人体临床试验的首个FTI药物是洛那法尼。然而， 洛那法尼并不能改善所有疾病表型，也不是所有受试者都能从这种治疗中获益。Ibrahim等人提出了靶向ICMT可能是治疗HGPS的有效策略的可能性。他们发现， 在zmpste24缺陷小鼠中，ICMT的一个低形态等位基因通过增加体重、使握力正常化和预防骨折和死亡来改善疾病表型。此外， ICMT抑制增加了人HGPS成纤维细胞的增殖并延缓了衰老。
阿尔茨海默病(AD)是一种进行性神经退行性疾病，影响约11%的65岁及以上人群，其临床特征是情景记忆受损。AD的病理征象是细胞内神经原纤维缠结和神经斑块和脑血管中聚集的淀粉样蛋白β(aβ)沉积，这一事件损害了突触的可塑性和结构完整性。然而，AD的神经病理与行为改变之间的关系尚不完全清楚。新出现的证据表明，蛋白异戊烯化以及一些小gtpase水平和功能的改变可能与AD的发病机制有关，除了APP/aβ-代谢外，异戊烯化/gtpase已被证明参与AD发病机制的不同方面。例如，抑制Rhogtpase预缩导致aβ诱导的神经炎症减弱。
但是，他汀类药物可以降低AD的风险，即使前瞻性研究产生了不同的结果。这些研究之间的差异很可能是由于他汀类药物的选择和剂量、患者群体的选择、治疗持续时间和结局测量标准的差异造成的。然而，另一个关键方面是他汀类药物同时降低FPP和GGPP水平，从而改变法尼化和香叶酰化途径，这两种途径都参与不同细胞功能的调节。研究表明，选择性抑制蛋白法尼化，而不是香叶酰化，可以改善突触和认知功能，减少AD的病理，这表明这些抑制剂有可能作为AD的治疗药物。有趣的是，抑制FPP水平而非GGPP水平可增强成熟C57BL/6小鼠脑切片中的海马-海马突触可塑性。在AD小鼠模型中，FTase单倍缺乏而GGTase-1单倍缺乏可以恢复认知功能，并减轻aβ相关的神经炎症和神经病理。因此，FTI也被提议用于治疗神经退行性疾病，由LinkMedicineCorp.开发的一种FTI(LNK-754)已在轻度AD受试者和健康老年志愿者中进行I期临床试验，以评估耐受性、安全性和药代动力学。然而，需要进一步的研究来阐明蛋白法尼化在AD发病和进展中的作用。
慢性丁型肝炎是一种严重的肝脏疾病，发生在携带乙型肝炎表面抗原(HBsAg)并同时感染丁型肝炎病毒(HDV)的人群中。丁型肝炎病毒是人类病毒学中最小的病毒，其基因组约有1700个核苷酸编码195个氨基酸的丁型肝炎抗原(HDAg)。疗仍然依赖于干扰素，在20世纪80年代，干扰素首次被引入，但效果有限。治疗是有问题的，因为极简HDV不编码任何酶的功能，也没有自己的复制机制来被抗病毒药物靶向。
异戊烯化是病毒粒子组装和病毒颗粒包装的重要步骤，它的关键作用是药物破坏这种PTM以阻止病毒粒子的形态发生。HDAg上的戊酰脂质为法尼基，FTase抑制剂在体外和小鼠模型中成功地减少了HDV的释放。
就丙型肝炎而言，通过结合[H3]甲羟戊酸标记、共免 疫沉淀和生物信息学搜索对异戊烯化蛋白进行分析， 鉴定出一种香叶酰化宿主蛋白FBL2， 它与HCV NS5A蛋白形成 特异性复合物， 对HCV RNA复制至关重要。
与许多细菌类似， 军团菌通过分泌效应蛋白与宿主细胞相 互作用， 这些效应蛋白作为与宿主细胞或其他细菌的蛋白 质相互作用的底物， 但也作为使用真核机制的PTMs的底物。这些效应蛋白含有CAAX基序， 在预酰化后靶向宿主 细胞器，从而促进细胞内感染。蛋白质异戊烯化发生在多种致病性原生动物中，包括布氏锥虫、克氏锥虫、利什曼原虫、恶性疟原虫、刚地弓形虫、贾第鞭毛虫和溶组 织内阿米巴原虫。与哺乳动物细胞相比， 原生动物寄生虫的生长受到蛋白质法尼化抑制的严重损害，这表明蛋白质 FTase酶作为抗寄生虫药物靶点具有很高的潜力。事实上，在动物模型中，FTIs已经被证明在治疗真核病原体方面是有效的，包括感染布鲁氏体(非洲昏睡病的病原体)和恶性疟原虫(疟疾的病原体之一)。
GTPases的Ras家族成员几乎都含有CAAX基序，因其在肿瘤发生中的作用引起了研究界极大的兴趣。除了Ras，其他几种CAAX蛋白也参与了癌症的发生和发展：GTPases的 Rho家族，包括Rac和Cdc42，以及许多磷酸酶和激酶。香叶基香叶基转移酶抑制剂(geranylgeranyl transferase inhibitors, GGTIs)已经在几种癌症和炎症性疾病的动物模 型中显示出显著的疗效。然而，关于CAAX蛋白的修饰和功能仍有很多需要了解的。GGTase I的作用似乎非常复杂，令人惊讶的是， 在Rho GTPases的炎症作用基础上，小鼠GGTase I的基因缺失非但没有保护炎症症状，反而诱发了严重的关节炎症。总的来说，这些发现强调了由CAAX蛋白前酰化决定的生物过程的细胞环境特异性相互作用。
到目前为止,香叶基转移酶抑制剂(geranylgeranyl transferase inhibitors, GGTIs)已经在几种癌症和炎症性疾病的动物模型中显示出显著的疗效。然而，关于CAAX蛋白的修饰 和功能仍有很多需要了解的。GGTase I的作用似乎非常复杂，令人惊讶的结果表明，在Rho GTPases的炎症作用基础上，小鼠GGTase I的基因缺失非但没有保护炎症症状，反而诱发了严重的关节炎症。但是这些发现强调了由CAAX蛋白前酰化决定的生物过程的细胞环境特异性相互作用。
在性成熟前精子发生的早期阶段，精原上皮中的蛋白前酰化是至关重要的。这一发现来自于雄性大鼠接受HMG-CoA抑制剂瑞舒伐他汀治疗后，出现青春期开始和附睾发育年龄的延迟，并伴有睾丸和附睾的改变。此外，研究表明，青春期前腮腺炎病毒感染导致的男性不育可能归因于香叶二磷酸合成酶缺乏导致的prenylation水平降低，从而诱导Sertoli细胞过度合成和分泌趋化因子和细胞因子，导致精原细胞凋亡和随后的成年不育，这在小鼠模型中得到了证实。同样的作者进一步证明了蛋白法尼化作为细胞内在调节剂的重要性，它能够刺激影响分化相关基因表达的mTORC1信号通路。的确，geranylgeranyl二磷酸合成酶的减少与FPP积累有关，改变了在精子发生早期调节精原干细胞分化的geranylgeranyl蛋白和farnesylation蛋白之间的比例，从而为原发雄性不育治疗提供了潜在的基础，而原发雄性不育是由精原干细胞衰竭和生殖细胞耗竭引起的。
许多研究表明，视网膜特别需要脂质修饰的蛋白质，这很可能是由于光感受器的膜状结构。因此，视网膜可能特别容易受到蛋白质异戊烯化的影响，这将在影响其他组织之前引起视网膜症状。与遗传性视网膜疾病相关的几个基因将参与烯酰化过程的蛋白质编码为介质或靶标。这些基因的突变可能导致蛋白质合成减少或取消，但也可能导致蛋白质失活和无活性的烯酰化蛋白的积累，对光感受器细胞产生有害影响，并随后导致光感受器、视网膜色素上皮和脉络膜的进行性变性。
此外，在感染、肥胖和2型糖尿病等复杂疾病中，葡萄糖稳态的改变可能是由于持续的炎症，抑制CYP7A1导致积聚甲羟戊酸途径的中间代谢物。这种现象导致RHOC的戊烯酰化，这是由炎症细胞因子共同诱导的，并导致血浆葡萄糖升高。
越来越多的证据表明，异戊烯化在疾病中发挥着重要作用，这导致了几种负责这种修饰的酶抑制剂的开发。因此，迫切需要全烯酰化方法来鉴定受FTIs和/或GGTIs影响的烯酰化蛋白亚群，这反过来应该有助于阐明PTase抑制剂(PTIs)的生理作用与其靶点之间的联系。
近年来，由于MS领域的技术进步，翻译后修饰蛋白的分析取得了巨大的进步，这是解决这一具有挑战性问题的最有力工具。
