瓜胺酸化在疾病蛋白組學中的新視角與研究展望

精彩看點：

蛋白質組學的動態領域受轉譯後修飾（PTMs）的深刻影響，這些修飾調節蛋白質結構、功能、穩定性、定位和酶活性。瓜胺酸化是一種特定的PTM，透過瓜胺酸脫亞胺酶（PADs）家族將精胺酸殘基酶促轉化為瓜胺酸。在標準細胞活動的背景下，這一過程尚未完全理解，但主要發生在細胞應激條件下。這些條件通常伴隨有炎癥、自噬和增加細胞內鈣水平的生物過程，如細胞雕亡、壞死和氧化應激。

瓜胺酸化：功能和機制

瓜胺酸化的生物化學： 瓜胺酸化是一種由瓜胺酸脫氨酶（PAD）酶催化的轉譯後修飾，將蛋白質中的精胺酸殘基轉化為瓜胺酸。此過程消耗一個水分子並釋放氨。精胺酸的正電荷被中性的瓜胺酸所取代，導致蛋白質結構和功能的改變。由於精胺酸在蛋白質-蛋白質交互作用、DNA結合和訊號傳導中發揮重要作用，瓜胺酸化的發生可以顯著影響這些生物學過程。

圖1、瓜胺酸化過程

瓜胺酸化在細胞過程中的作用：

瓜胺酸化在多種細胞過程中發揮作用，包括基因表現調控、細胞分裂、雕亡和免疫反應。它透過影響蛋白質交互作用和結構穩定性，調節細胞功能。例如，瓜胺酸化可以改變染色質結構，影響基因表現的啟動和抑制。此外，瓜胺酸化在免疫系統中的角色尤為重要，它參與自身抗原的形成和免疫逃逸機制。

瓜胺酸化在復雜疾病中的背景

最近的研究揭示了瓜胺酸化在復雜疾病病因中的廣泛作用及其與先天免疫系統的關聯（表1）。在類風濕關節炎（RA）中，抗瓜胺酸蛋白抗體（ACPAs）在癥狀出現前幾年即可檢測到，在70%的病例中作為診斷標誌物，也疾病預後相關。

在各種癌癥中觀察到的PAD酶水平升高暗示瓜胺酸化蛋白在腫瘤學中的潛在診斷價值。例如，PAD4在乳癌、肺癌、結腸癌、卵巢癌和前列腺癌患者的血液中被檢測到。

此外，瓜胺酸化與神經退行性疾病之間的聯系也被探索。在艾爾茨海默病患者中，研究人員在大腦中發現了瓜胺酸化的β-澱粉樣蛋白。對癡呆患者血液代謝物的薈萃分析顯示瓜胺酸水平顯著增加。最近的一項結構分析在額顳葉變性患者的TDP-43蛋白中發現了一個潛在的瓜胺酸化位點。利用針對瓜胺酸化蛋白的自身抗體開發新的診斷方法的機會尚未得到充分研究。

表1: 瓜胺酸化在復雜疾病中的作用

瓜胺酸化檢測技術的挑戰與進展

由於瓜胺酸化作為PTM存在量低，其研究需要高度靈敏的檢測技術。雖然傳統方法如ELISA和西方墨點法提供了瓜胺酸化蛋白和PADs的分布見解，但它們受到低通量和半定量分析的限制。質譜（MS）和蛋白質微陣列已經成為高通量、靈敏分析瓜胺酸化的有力工具，每種方法在樣品處理和分析特異性方面各有優缺點。

質譜（MS）：

質譜方法用於直接鑒定和量化瓜胺酸化蛋白。質譜需要技術熟練的操作人員，多個步驟容易出錯，並需要昂貴的高分辨率質譜儀。主要的挑戰是區分瓜胺酸化與其他類似修飾（如谷氨醯胺或天門冬醯胺脫胺基化）。

蛋白質微陣列：

蛋白質微陣列是透過固定的蛋白質陣列來篩選瓜胺酸化蛋白質。直接方法使用標記的PAD酶篩選固定蛋白質，間接方法用於檢測抗瓜胺酸化蛋白的自身抗體。這些方法為疾病檢測、亞型劃分和新的治療靶標提供了機會。

Sengenics的蛋白質陣列技術：

對於研究瓜胺酸化的研究人員來說，選擇合適的蛋白質陣列對於生成精確數據至關重要。Sengenics在這一領域脫穎而出，提供了一種專門設計的瓜胺酸化檢測方法，利用我們的功能性蛋白質陣列研究ACPAs。使用其專利的KREX®技術，陣列上的蛋白質是全長且正確折疊的（圖2）。這種精度與其他可能依賴變性或錯誤折疊蛋白質的陣列形成鮮明對比，後者可能導致非特異性抗體結合和不可靠的結果。

結論與未來展望

瓜胺酸化在多種疾病中的關鍵作用已被廣泛認可，特別是在自身免疫疾病如類風濕關節炎和癌癥中。透過理解瓜胺酸化的機制和功能，可以開發出新的診斷工具和治療方法。瓜胺酸化蛋白質作為生物標誌物和治療靶標的潛力，為未來研究和臨床套用提供了新的視角。

盡管瓜胺酸化研究取得了重要進展，但仍有許多挑戰需要克服。例如，鑒定和量化瓜胺酸化蛋白質的方法需要進一步最佳化，以提高靈敏度和特異性。此外，深入理解瓜胺酸化在不同疾病中的具體機制，對於開發針對性的治療策略至關重要。

未來的研究應集中在以下幾個方面：

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