爱思益普生物化学部（ICE Biochemistry, IBC）成立于2019年2月18日, 经过近五年的发展，已经成长为涵盖蛋白定制与产品，生物物理分析，酶学体系构建与筛选，生化机制研究，质谱分析，高通量与谱学筛选的六位一体的生物化学平台；团队经验丰富，leader 团队超过25人，平均行业从业经验超过6年，拥有1100+的ready to use的酶学靶点平台，300+的靶标蛋白产品，以及50+经SPR 验证的靶标平台等，助力国内外合作伙伴的新药研发。
赖氨酸乙酰转移酶（（K）lysine acetyltransferase，KAT）是一类能够催化乙酰基从乙酰辅酶A上转移到蛋白质底物赖氨酸ε-氨基上的酶，赖氨酸残基的乙酰化能够对蛋白质的功能产生影响，如DNA结合能力、蛋白质相互作用、酶活性及稳定性、细胞染色体结构及核内转录调控因子活性等。KATs可以乙酰化多种蛋白质的多个赖氨酸位点，包括组蛋白、HMG（高迁移率组）蛋白、转录因子和核受体，组蛋白乙酰化是其中最典型的。因此，赖氨酸乙酰转移酶（KATs）通常被称为组蛋白乙酰转移酶（HATs）。赖氨酸乙酰化是一种动态的翻译后修饰过程并且此过程是可逆的，由乙酰转移酶（KATs）和去乙酰化酶(KDATs)共同调节，它是最常见的PTM之一，影响数百种蛋白质，并调节许多重要的生物过程。
图1 KATs和KDACs的催化方式[2]
赖氨酸乙酰转移酶（KATs），最初称为组蛋白乙酰转移酶（HAT），根据其蛋白序列和结构同源性的不同特征，KATs主要分为4个不同的家族：包括(I) GNAT/PCAF（GCN5）家族；（II）p300/CBP家族；（III）MYST家族；（IV）SRC/ACTF家族。MYST蛋白家族是其中最复杂的一个，由MOZ（KAT6A），MOF（KAT8），MORF（KAT6B），TIP60（KAT5）和HBO1（KAT7）五个成员组成，它们都含有高度保守的“MYST”结构域，大约为370个氨基酸，由9条β链和8个α螺旋组成，氨基酸序列相似度超过95%，此结构域具有乙酰转移酶的活性[6]。MYST 结构域通常由HAT结构域、C2HC锌指结构域和乙酰辅酶A结合位点组成。此外，MYST家族成员还含有其它的特殊结构，例如与组蛋白H1和H5的球状结构域相似的H15结构域，染色质结构域(ChD) 、具有E3泛素连接酶的锌指结构域(PHD) 、核受体相互作用区域(NR box) 、富含丝氨酸(S) 、丝氨酸/甲硫氨酸(S/M)和天冬氨酸/谷氨酸(D /E) 区域等。
图2 （A）KATs家族蛋白进化树[3]。（B）KATs蛋白家族结构图[7]
组蛋白的乙酰化有利于激活基因的转录。众所周知，组蛋白乙酰化多发生在组蛋白H3和H4的N端赖氨酸残基上。组蛋白带正电荷，DNA带负电荷，所以组蛋白与DNA结合非常紧密。当组蛋白乙酰转移酶将乙酰辅酶A的乙酰基转移到组蛋白的赖氨酸残基上，会中和组蛋白的正电荷， 减弱DNA与组蛋白的相互作用，从而使DNA更容易与转录因子结合，因此组蛋白乙酰化往往与转录激活相关，组蛋白的去乙酰化则发挥相反的作用。赖氨酸残基的乙酰化影响蛋白质的功能，然不同家族的生物学功能亦有差别，例如GNAT/PCAF（GCN5）家族：主要参与基因表达调控，对染色质的结构和功能具有重要影响；P300/CBP家族：主要影响染色质的紧密程度，参与基因表达调控，MYST家族：在多种细胞过程中起重要作用，包括基因转录调控、DNA 损伤修复、癌症的发生、DNA 的复制等密切相关。
表1 KATs的功能特征[12]
乙酰化对蛋白质和代谢组水平有多种影响，参与多种代谢反应，包括糖代谢、三羧酸循环和脂肪酸代谢，与生物活性密切相关。同时，乙酰化通过修饰组蛋白和非组蛋白来调节基因表达，它对许多细胞过程至关重要，如基因转录、信号转导、DNA损伤修复、细胞分裂和蛋白质折叠。
图3 蛋白乙酰化的功能[18]（a）抑制酶的活性；（b）增强酶的活性；（c）改变酶-底物特异性；（d）调控蛋白降解；（e）促进蛋白质-蛋白质相互作用；（f）调节蛋白亚细胞定位。
蛋白质乙酰化承担着细胞中的各种各样的功能，乙酰转移酶在各种疾病中起到关键的作用，例如心血管疾病CVD，肥胖疾病，肿瘤，神经退行性疾病等。
2.1 KATs在心血管病中的作用
心血管疾病是由细胞死亡、细胞异常生长和炎症过程引起的，这些过程可导致血管硬化和心脏纤维化瘢痕组织的形成。赖氨酸乙酰化在血管内皮生长因子（VEGF）信号转导的调控中起着关键作用，在缺氧条件下，KATs增加编码内皮素的Edn1启动子中的组蛋白乙酰化水平，从而增加缺氧诱导因子1α（HIF1α）依赖的Edn1表达，从而导致全身性高血压和肺动脉高压（PAH）的发展。HIF1α和p300都能与VEGF启动子中的缺氧反应元件结合，从而上调VEGF的转录。蛋白Cbp/p300相互作用的反激活因子2与HIF1竞争与p300的结合，并阻止HIF1诱导的促血管生成基因的表达。KAT7已被证明可以乙酰化VEGFR2（VEGF受体2）的启动子区域的H3和H4，从而增加RNA聚合酶II与启动子的结合，并上调VEGFR2的表达。
2.2KATs在肥胖症中的作用
肥胖是世界范围内的一种慢性传染病，已成为一个重要的公共卫生问题之一。研究发现关键蛋白乙酰化修饰水平的变化可以动态调节身体肥胖。脂肪酸合酶（FASN）是新生脂肪生成的末端酶，在细胞增殖中起关键作用。发现KAT8可以与FASN相互作用，KAT8的过表达使内源性FASN的乙酰化水平提高了2.2倍，乙酰化促进FASN与TRIM21 E3泛素连接酶的相互作用，促进FASN的降解，细胞中的脂质明显含量降低。
PGC-1α在肝糖异生中起关键作用，并与Ⅱ型糖尿病的发病有关。PGC-1α分别被GCN5和SIRT1乙酰化和去乙酰化，以调节其转录活性。特别是，GCN1的PGC-5α乙酰化减弱了其活性。饮食诱导的肥胖小鼠肝脏中的PGC-1α乙酰化水平（Ac-K）轻度降低，而总PGC-1α蛋白水平显着升高。结果，肥胖小鼠的Ac-K / PGC-1α显着降低。PCAF在禁食和糖尿病状态下乙酰化PGC-1α中的两个赖氨酸残基K328和K450，随后触发其蛋白酶体降解并抑制其转录活性。腺病毒介导的PCAF在肥胖小鼠肝脏中的表达极大地抑制了糖异生酶的活化和葡萄糖的产生，并改善了葡萄糖稳态和胰岛素敏感性。此外，PCAF的肝脏特异性敲低刺激PGC-1α活性，导致血糖和肝葡萄糖输出增加。
2.3 KATs在肿瘤中的作用
癌症是一个重大的公共卫生问题，已成为世界最常见的死亡原因之一。p300/CBP 家族由两个密切相关的转录共激活因子 CBP（KAT3A）及其旁系物 p300 （KAT3B） 组成。p300和/或CBP基因的突变和/或缺失常见于肺癌、结肠癌、乳腺癌和卵巢癌等几种癌症的报道，表明p300具有抑制肿瘤的作用，并表明它可能在人类癌症亚群的发展中发挥作用。在许多癌症也中观察到p300位点的杂合性丧失，包括肝细胞癌、结直肠癌、口腔癌、乳腺癌、卵巢癌、胃癌和胶质母细胞瘤。p300还参与调节大量肿瘤相关蛋白的表达和功能，包括癌蛋白c-myc、雄激素受体（AR）、肿瘤抑制蛋白乳腺癌基因-1和p53。
ATAT1是负责α-微管蛋白K40乙酰化的主要KAT。最近的报告表明，ATAT1在许多与癌症播散相关的细胞过程中起着重要作用，包括细胞粘附，迁移和侵袭。在乳腺癌细胞中，ATAT1结合并调节皮质肌动蛋白乙酰化水平，并与细胞贴壁表面的皮质肌动蛋白共定位。ATAT1是乳腺癌细胞在胶原基质中的2D迁移和侵袭能力所必需的。培养细胞中异位ATAT1的表达也会增加微管蛋白乙酰化并增强乳腺癌细胞中微触手的形成。
人类MOF在苍蝇与人类之间高度保守，并显示出相同的底物特异性。它负责人类细胞中组蛋白H4K16乙酰化，与癌症有明显的联系。哺乳动物细胞中MOF的耗竭可导致异常基因转录，特别是引起某些肿瘤抑制因子或癌基因的异常表达。例如，41%的原发性乳腺癌患者和79%的髓母细胞瘤患者经常下调MOF且其蛋白表达与所有检测样本中H4K16的乙酰化密切相关。值得注意的是，MOF低表达与结直肠癌、胃癌和肾细胞癌的临床病理学特征相关，在结直肠癌患者中，MOF表达模式主要与淋巴结转移和肿瘤进展有关。MOF水平下降也是卵巢癌和肝细胞癌的预后标志。
2.4 KATs在神经退行性疾病中的作用
神经退行性疾病(NDDs)是中枢神经系统或周围神经系统神经元进行性丢失的一组神经系统疾病，影响着全球数百万人的生活。乙酰化失调发生在几种神经退行性疾病中，如AD，ALS和HD。KAT和HDAC与一系列可能与神经退行性疾病有关的非组蛋白底物相互作用，例如p53，NF-KB和STAT1，虽然未能维持对HAT和HDAC的适当调节，但可能导致凋亡途径的激活和神经元细胞中广泛的失调。HD中累积的突变亨廷顿蛋白（htt）蛋白也被证明与CBP酶的HAT结构域相互作用，降低死后人脑组织中的HAT活性。蛋白质乙酰化的改变和通过自噬和蛋白体介导的蛋白质清除机制失败有关。p300/CBP酶活性的增加改变了自噬，导致转基因AD小鼠中tau蛋白的过度分泌。部分研究表明，KAT6A参与神经干细胞的自我更新，是阿尔茨海默氏病(Alzheimer disease, AD)潜在治疗靶点。
到目前为止，已经开发了许多赖氨酸乙酰转移酶抑制剂（KATi），双底物类似物，天然化合物和合成衍生物等，但仍需要新的，更有效的，代谢稳定和选择性的KATi作为研究KAT生物学的化学工具或作为潜在的治疗剂。KAT抑制剂的发现主要集中p300、 GCN5和MYST三个家族的研究。这些KAT中的每一个都使用乙酰辅酶A作为辅因子将乙酰基转移到蛋白质Lys侧链，因此除了靶向乙酰转移酶活性外，还可以瞄准竞争乙酰辅酶A结合位点。C646 是一种组蛋白乙酰转移酶抑制剂，相比于其它乙酰转移酶，优先作用于p300。可诱导细胞周期阻滞、细胞凋亡与自噬。A-485是一种有效的、选择性的、具有类药性的p300/CBP催化抑制剂，对p300 HAT的IC50值为0.06 μM。相较于BET溴区蛋白和其他大于150种的非表观遗传学靶点，它对p300/CBP更具有选择性。JQAD1 是一种依赖于 CRBN 的 PROTAC，可选择性地靶向 EP300 进行降解。PF-9363是高效的KAT6A和KAT6B选择性抑制剂，是乙酰辅酶A的可逆竞争剂，可以抑制MYST家族蛋白催化组蛋白乙酰化，在几种ER+乳腺癌细胞系和异种移植模型中具有很强的抗肿瘤活性。
目前，中国国家药品监督管理局药品审评中心（CDE）最新公示，辉瑞（Pfizer）递交了1类新药PF-07248144片的临床试验申请。公开资料显示，这是辉瑞在研的一款选择性KAT6抑制剂，目前正在全球开展1期临床试验。PF-07248144是一种KAT6A表观遗传修饰剂，属于新分子实体，拟开发用于治疗乳腺癌转移。随着KAT抑制剂的不断开发，相信可以早日为更多癌症患者带来新的治疗选择。
图4 KATs家族的部分抑制剂结构
爱思益普生物化学部（IBC）打造了集蛋白纯化、酶学方法开发、抑制剂活性筛选于一体的KATs筛选平台。
爱思益普目前已经纯化出KATs系列多个蛋白，蛋白团队拥有多年丰富的工作经验，每批蛋白都会经过活性验证，以保证纯度和活性，充分满足各种实验需求。
爱思益普通过TR-FRET (时间分辨荧光)的方法检测小分子对KATs的乙酰化活性的抑制。ICE平台目前已经完成KAT系列靶点的检测实验，例如HAT1、GCN5、 CREBBP、 P300、TIP60、MOZ、MORF、MYST2和MYST1。
ICE-KATs Panel可提供服务的靶点汇总
ICE-KATs Panel curves汇总
小结：
赖氨酸乙酰转移酶是一个十分重要的酶类，越来越多的结构和功能上的信息被揭示，这些酶活性的调控已成为开发表观遗传学药物的重要研究对象。KATs与细胞、分化生长、基因表达调控和疾病密切相关。因此我们应该加强KATs研究的投入和关注，以提高对生物学和医药领域的贡献。爱思益普除了具备完整的KATs生物化学平台，同时在细胞生物学，DMPK分析，体内动物模型的药效评价以及神经心脏安全和体外次级药理学安全性评价（Safety panel）等方面拥有丰富的服务经验。对KATs相关服务感兴趣的同仁，可以随时联系我们索取资料！
撰稿人----赵冬美
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