弓形虫蛋白质翻译后修饰研究进展

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1、弓形虫蛋白质翻译后修饰研究进展简要：要：弓形虫是一种复杂的单细胞原生动物寄生虫，通过入侵宿主细胞、分裂和诱导宿主细胞破裂等一系列的过程，在温血动物体内进行增殖。弓形虫的生物学特征受基因组、表观遗传及转录等要：弓形虫是一种复杂的单细胞原生动物寄生虫，通过入侵宿主细胞、分裂和诱导宿主细胞破裂等一系列的过程，在温血动物体内进行增殖。弓形虫的生物学特征受基因组、表观遗传及转录等多种因素的调控。蛋白质翻译后修饰(proteinpost-translationalmodifications，PTMs)，如磷酸化、泛素化、巴豆酰化、棕榈酰化、琥珀酰化、乙酰化、甲基化、糖基化和二羟基异丁酰化等，是弓形虫调节对

2、细胞外刺激的反响和生命周期转变的主要机制之一。弓形虫蛋白质翻译后修饰通过改变靶蛋白的定位、结构、活性、蛋白质-蛋白质相互作用等增加蛋白质的复杂性和多样性，从而在虫体生命周期的任何时间点都可以发挥至关重要的作用。在这篇综述中，作者重点对弓形虫蛋白质翻译后修饰进行简要总结，以期为深入研究弓形虫的生物学特征奠定根底。关键词：弓形虫;顶复门寄生虫;蛋白质翻译后修饰;表观遗传学尹德琦; 魏子巍; 张义伟; 桑晓宇; 杨娜; 冯颖; 陈冉; 姜宁， 畜牧兽医学报 发表时间：2022-11-23弓形虫是一种专一性的顶复门胞内寄生虫，被认为是世界上分布最广泛的人畜共患病之一1-2。刚地弓形虫的生命周期很复杂，

3、主要以两种感染形式存在：包括快速复制的速殖子和缓慢分裂的缓殖子。尽管弓形虫通常会导致成年人和免疫力正常的人产生轻度病症，但对母体中发育的胎儿和免疫功能 低 下 的 人 造 成 严 重 的 危 害，甚 至 可 能 危 及 生命3-4。此外，弓形虫病能够引起家畜流产，严重影响养殖业的经济效益。在日常生活中，人和温血动物通常会因受到包囊或卵囊污染的食物或水而感染。目前，治疗弓形虫的有效药物仅限于少数代谢抑制剂，包括乙胺嘧啶、磺胺类药物、螺旋霉素和克林霉素等5。这些药物具有一定的局限性和细胞毒性，因此寻找新的且有效的药物靶标迫在眉睫。PTMs通过将共价修饰连接到多肽链上，扩展了20种蛋白质氨基酸的化学

4、组成和信息含量，增加了蛋白质的功能性。大多数的 PTMs会在多肽链合成(翻译)后进行连接，因此通常称为“翻译后修饰(PTMs)6。PTMs是将一些化学基团共价偶联到蛋白质特定氨基酸上的过程，包括磷酸化、糖基化、泛素化、琥珀酰化、甲基化、乙酰化、巴豆酰化和二羟基异丁酰化修饰等7-9。PTMs(例如甲基化、乙酰化、SUMO 酰化和琥珀酰化等)及它们之间的相互作用能够参与宿主先天免疫和炎症的调节过程，为传染性和免疫性疾病的发病机制以及潜在治疗途径提 供 理 论 基 础10。迄 今 为 止，大 约 有 461种不同类型的 PTMs 已被 Uniprot数据库所收录( ：/ uniprot.org/do

5、cs/ptmlist)，且在微生物、人、动物和植物等方面均发挥着重要功能11。PTMs可以在蛋白质的生命周期中的任何时间发生，并且可以通过改变目标蛋白质活性、定位、蛋白质-蛋白质相互作用以及其他功能等。即使同一种蛋白质仅发生一种类型的修饰，也可能具有多种功能;如果同一蛋白质上的相同 PTM 发生在不同的氨基酸上，那么其功能也将不同;如果相同的蛋白质发生不同的修饰类型，那么其功能和涉及的生物学过程更加复杂。因此，PTMs极大地增加了蛋白质组的多样性和复杂性。弓形虫在不同的发育阶段表达不同的数量的蛋白质，但仅仅是数量的变化无法满足其 复 杂 生 命 过 程 的 需 要，需 要 PTMs 的 参 与

6、。PTMs能够使蛋白质的功能呈现指数增长，从而在 弓形虫的生命活动中发挥着重要作用。棕榈酰化、泛素化、磷酸化和甲基化等 PTMs会调控弓形虫运动和入侵宿主细胞的过程，特别是磷酸化修饰通过调控蛋白激酶(proteinkinaseG，PKG)对其入侵和逸出宿主细胞起到信号枢纽的作用7，12。当弓形虫在细胞外环境中寻找宿主细胞入侵时，它会暴露于缺乏营养和氧化应激的环境中，而 PTMs会在这种恶劣的环境中维持寄生虫的生存能力7，13。此外，弓形虫可通过乙酰化、磷酸化、糖基化、甲基化、小泛素化和泛素化等修饰对其组蛋白和转录因子进行调控，从而调节其转录及翻译的过程7，14。弓形虫通过 PTMs下调免疫反响

7、和重组亚细胞结构来操纵所入侵的宿主细胞，为虫体生存、复制和入侵创造一个有利的条件15。总之，弓形虫体内普遍存在着乙酰化、磷酸化、巴豆酰化、琥珀酰化、二羟基异丁基酰化、泛素化、糖基化、丙二酰化等 PTMs 类型，这些 PTMs参与了蛋白质加工与合成、表观遗传调控、毒力、转录调控、信号转导、入侵、运动以及应激响应等各种生物学过程。因此，PTMs可能是弓形虫的发育过渡、生物学和发病机制的关键调节剂。本综述对弓形虫的 PTMs进行简要总结，旨在进一步全面解析弓形虫的生物学特性和发病机制，为寻找新的抗弓形虫药物靶标奠定根底。1 蛋白质翻译后修饰的研究进展1.1 泛素化修饰(ubiquitination)

8、泛素是一种由76个氨基酸组成的多肽，与蛋白质的赖氨酸残基结合来调控细胞生物学过程。DeMonerri等13在弓形虫中共鉴定到超过500多种蛋白质上的1000个泛素化修饰位点，且大局部的泛素化蛋白与细胞周期调节相关。泛素化修饰需要E1 泛素激活酶、E2 泛素结合酶和 E3 泛素连接酶的共同调控16-17。泛素化修饰在弓形虫细胞骨架、内膜复合物以及滑动体(gliding-associatedprotein，GAP)等相关蛋白质上也被检测到，可能对于细胞骨架的重排具有重要的作用13。在弓形虫染色质修饰酶上 检 测 到 泛 素 化 修 饰，包 括 乙 酰 基 转 移 酶GCN5b(转录的主调节剂)以及

9、与 GCN5b相互作用的蛋白质18。此外，在弓形虫组蛋白以及 AP2 转录调节因子中也发现多个泛素化位点，可能对弓形虫的转录具有重要的调控作用13。弓形虫35%的泛素化蛋白是与细胞周期调控相关的，且与磷酸化修饰之间有着重要的相互作用。1.2 小泛素化修饰(SUMOylation)小泛素化修饰是小泛素相关修饰物与赖氨酸残基的共价连接过程。弓形虫的蛋白质组中约有1%蛋白质发生SUMO 修饰，并参与转录、DNA 复制和修复、染色体别离和信号转导等细胞功能19。该修饰由 3 种酶进行调控：E1-SAE1/SAE2 异二聚体(活化酶)、E2/Ubc9(结合酶)和 E3酶(连接酶)19。虽然大多数 SUM

10、O 修饰调控酶都在细胞核中，但SUMO 修饰的发生并不局限于细胞核。研究说明，SUMO 修饰在细胞质、质膜、线粒体和内质网中均发挥重要的作用19-20。与靶向蛋白质降解的泛素化修饰不 同，SUMO 修 饰 可 以 保 护 蛋 白 质 不 被 降解，也可将蛋白质引导到细胞中的特定位置，尤其是细胞核20-21。HSP70和 HSP90等热休克蛋白质均被检测到发生SUMO 修饰，有助于弓形虫的抗应激反响，同时 SUMO 修饰在弓形虫入侵宿主细胞、包囊发育/维持和发病机制中起着关键作用19。尽管泛素化和SUMO 修饰非常相似，但它们具有不可替代的生物学功能。1.3 棕榈酰化修饰(palmitoylat

11、ion)S-棕榈酰化是棕榈酸酯(一种饱和 16 碳脂肪酸)通 过 硫 酯 键 与 半 胱 氨 酸 残 基 共 价 连 接 发生22-23。在弓形虫中共鉴定到282种棕榈酰化蛋白质，主要位于细胞质和细胞膜上。棕榈酰化通常参与调节蛋白质膜定位、改变蛋白质稳定性、蛋白质/蛋白质相互作用和蛋白质转运等24。与其他脂质类修饰不同，棕榈酰化具有可逆性和动态性。棕榈酰化修饰由棕榈酰基转移酶(palmitoylacyltrans-ferases，PATs)催化，弓形虫基因组编码18个潜在PATs，其中16个在速殖子中表达24-25。因此，棕榈酰化可能在弓形虫速殖子阶段发挥重要作用。Foe等26证 实 了 肌

12、球 蛋 白 轻 链 (myosinlightchain，MLC1)、肌球蛋白质 MyoA 以及 GAP45、GAP40、GAP50和 GAP70等滑动体相关蛋白质均发生棕榈酰化修饰，这些发现揭示滑动体是速殖子的一种被高度棕榈酰化的复合物。进一步的研究说明，阻断顶端膜抗原(apicalmembraneantigen1，AMA1)棕榈酰化可增加 AMA1及微线体相关蛋白质(mi-cronemeproteins，MICs)从顶端复合体的释放，说明棕榈酰化修饰在弓形虫速殖子的入侵阶段扮演着关键的角色。1.4 磷酸化修饰(phosphorylation)磷酸化修饰通过在蛋白质氨基酸链中添加磷酸(PO3-

13、4 )基团而发生，是一种对细胞信号传导非常重要的动态修饰。此外，磷酸化修饰是弓形虫和恶性疟原 虫 中 最 普 遍 发 生 的 PTM 类 型，涵 盖 了 超 过30%的预测蛋白质组15。由于蛋白质磷酸化可发生在多种类型的氨基酸(丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸)上，这可能是导致其修饰通量是最高的主要原因之一。在 弓 形 虫 中，磷 酸 化 修 饰 在 棒 状 体 蛋 白 质(rhoptry neck proteins，RONs 和 rhoptry pro-teins，ROPs)和 致 密 颗 粒 蛋 白 质 (densegranuleproteins，GRAs)上显著富集，能够调控虫体入侵宿主细胞的过程

14、15。当弓形虫从细胞中释放出来时，由于营养物质的暂时缺乏和外部环境的压力刺激，许多蛋白质合成系统被关闭，这时候磷酸化修饰可以调控蛋白质的功能和活性，从而在多种生物学过程中发挥重要作用。此外，PKG 是虫体逸出和侵入细胞的信号中枢，有69种蛋白质直接或间接通过其他激 酶 间 接 受 到 PKG 依 赖 性 磷 酸 化 作 用 的 调控27。研究还检测了被弓形虫感染的人包皮成纤维细 胞 (HFF)的 磷 酸 蛋 白 质 组，共 鉴 定 到 含 有1619个 磷酸化位点的892种蛋白质，这将有助于理解弓形虫与宿主细胞的信号转导以及磷酸化蛋白质在宿主-病原体中发挥的作用28。总之，弓形虫磷酸化修饰是极

15、其丰富的，特别是在宿主细胞信号激活/失活、入侵和逸出宿主细胞等过程。1.5 O-糖 基 化 修 饰 (O-GlcNAcylation)、C-甘 露 糖基化修 饰 (C-Mannosylation)和 O-岩 藻 糖 基 化 (O-fucosylation)糖基化修饰主要分为 N-糖基化和 O-糖基化，对弓形虫的研究主要集中在后者。O-糖基化修饰(O-GlcNAcylation)是由 ON 和 OFF酶(O-GlcNAc转移酶和 O-GlcNAcase)调节的高度动态的 PTM，可以与磷酸化竞争，但其功能尚不清楚29。O-糖基化的功能是多种多样的，包括调控信号传导过程，并影响蛋白质表达、降解和运输等29-30。此外，黏蛋白样糖蛋白的黏蛋白结构域上糖基化的缺失会导致弓形虫囊壁结构刚性的缺失，这说明糖基化修饰可能参与调节弓形虫细胞壁的相关结构31。C-甘露糖基化是后生动物中存在的血小板反响蛋白1型重复序列的常见修饰类型，最近在顶复门寄生虫中也被发现32-34。这种糖基化是由 DPY19家族的酶介导，该酶将 -甘露糖转移至序列 WX2WX2C中色氨酸残基34。C-甘露糖基转移酶活性与寄生虫对宿主细胞的黏附力、运动能力、入侵和逸出宿主细胞等有关32，34。虽然 C-甘露糖基化转移酶 DPY19不是弓形虫存活所必需的，但对黏附、运动和毒力却很重要35。