工程化去棕榈酰化酶实现蛋白质定位与功能的精准调控

时间：2025年4月14日

来源：Nature Communications

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编辑推荐：为破解蛋白质S-棕榈酰化(S-palmitoylation)动态调控难题，哥伦比亚大学团队开发了化学遗传学(FacePalm)和光遗传学(opto-depalm)诱导的工程化去棕榈酰化酶，可时空特异性地操纵Cavβ_2A、KChIP2等靶蛋白的膜定位，揭示神经元兴奋性双向调控机制，为神经退行性疾病和癌症治疗提供新策略。

蛋白质的S-棕榈酰化是一种可逆的翻译后修饰，通过将16碳棕榈酸连接到半胱氨酸残基上，调控蛋白质的膜定位、稳定性和功能。这种动态修饰由锌指蛋白酰基转移酶(zDHHC)和去棕榈酰化酶（如Abhd17家族）共同调控，涉及超过5000种蛋白质，包括离子通道、G蛋白和突触蛋白等关键功能分子。然而，现有调控手段存在明显局限：小选择性差且具有细胞毒性；基因敲除方法缺乏时空特异性；天然酶对底物的选择性不足。这些限制严重阻碍了对棕榈酰化生理功能的深入解析，也制约了相关疾病的治疗开发。

为突破这些技术瓶颈，哥伦比亚大学Manu Ben-Johny团队设计了一套创新的工程化去棕榈酰化酶系统。研究将Abhd17酶拆分为N端定位结构域和C端催化结构域，分别融合化学诱导（FKBP/FRB）或光控（eMagA/eMagB）二聚化元件，创建了FacePalm和opto-depalm工具包。通过大鼠海马神经元培养、共聚焦显微成像、全细胞膜片钳和酰基树脂辅助捕获(Acyl-RAC)等技术，系统验证了这些工具在时空精度和底物选择性方面的突破性性能。

研究首先证实化学诱导的FacePalm-17C能特异性去除Cavβ_2A亚基的棕榈酰化修饰，导致其从质膜向胞质重分布，并通过电生理记录显示这显著增强Cav2.2钙通道的失活特性。该策略可推广至Abhd17家族所有亚型（FacePalm-17A/B/C），并能调控KChIP2、Lyn激酶和致癌蛋白NRas等多种底物。光控版本opto-depalm则实现了分钟级可逆调控，蓝光照射60分钟使Cavβ_2A去棕榈酰化，黑暗条件下180分钟内完全恢复。

通过添加亚细胞定位信号肽，研究人员实现了细胞器特异性的去棕榈酰化操作。早期内体靶向的FacePalm对Cavβ_2A的调控效率最高，而ER靶向版本几乎无效，揭示不同细胞区室对棕榈酰化循环的贡献存在显著差异。更巧妙的是，团队构建了Erk信号响应的反馈回路dePalm-er：当致癌突变体NRas(Q61K)过度激活MAPK通路时，该工具选择性去棕榈酰化NRas，使其滞留在高尔基体而丧失促癌活性。

为提升靶向特异性，研究开发了纳米抗体介导的FacePalm-it系统。将YFP或Cavβ_2A特异性纳米抗体与Abhd17催化域融合，实现了对KChIP2或Cavβ_2A的选择性调控，而对其共表达的伴侣蛋白毫无影响。在神经元中，不同FacePalm亚型展现出截然相反的生理效应：FacePalm-17B增加动作电位发放频率，而FacePalm-17C则降低兴奋性。通过PSD95特异性FingR引导的去棕榈酰化，还能选择性消除突触后致密区的PSD95簇而不影响神经元基本电活动。

这项研究建立了迄今最完善的蛋白质去棕榈酰化调控工具包，其创新性体现在三个维度：时间控制（化学/光遗传诱导）、空间控制（亚细胞靶向）和底物特异性（纳米抗体引导）。这些工具不仅为解析棕榈酰化在离子通道调控、突触可塑性和肿瘤发生中的精确作用机制提供了关键手段，更开辟了治疗亨廷顿舞蹈症、癌症等疾病的新途径——通过设计疾病相关信号通路激活的"智能"去棕榈酰化酶，实现病理状态的精准矫正。该成果发表于《Nature Communications》，标志着蛋白质脂质修饰研究进入了可编程调控的新时代。