综述：Monoaminylation in Human Health and Disease: State of the Field, Challenges, and Emerging Directions（单胺酰化在人类健康与疾病中的作用：领域现状、挑战与新兴方向）

《Advanced Science》：Monoaminylation in Human Health and Disease: State of the Field, Challenges, and Emerging Directions

本综述系统阐述了由转谷氨酰胺酶2（TGM2）催化的新型蛋白质翻译后修饰——单胺酰化，其将血清素、多巴胺、组胺等单胺类神经递质共价连接到组蛋白（如H3Q5）及非组蛋白底物上，形成表观遗传（如H3Q5ser）与神经蛋白质组调控网络。文章深入探讨了该修饰在神经精神疾病、肿瘤发生、昼夜节律等生理病理过程中的核心作用，并指出了当前检测技术瓶颈及未来靶向治疗潜力。

1 引言

传统观点认为，神经递质主要通过激活膜受体传递快速信号。然而，近年研究发现，单胺类神经递质可直接进入细胞核，在转谷氨酰胺酶2（TGM2）催化下，通过异肽键共价修饰组蛋白H3第5位谷氨酰胺（H3Q5），形成组蛋白血清素化（H3Q5ser）、多巴胺化（H3Q5dop）和组胺化（H3Q5his）。这种“单胺酰化”修饰将瞬时的神经信号转化为长期的转录调控，构成了连接神经活动与基因组功能的新桥梁。同时，单胺酰化也广泛发生于非组蛋白底物，如小GTP酶、代谢酶等，从而在多个层面调控细胞功能。本综述旨在全面总结单胺酰化修饰的类型、酶学机制、生理病理功能及未来挑战。

2 单胺酰化修饰所涉及的底物与酶

单胺酰化修饰的核心催化酶是TGM2，它是一种钙离子（Ca²⁺）依赖的转移酶。TGM2在该过程中扮演“书写器”（writer）和“擦除器”（eraser）的双重角色：当细胞内单胺浓度充足时，TGM2催化单胺共价连接到靶蛋白的谷氨酰胺残基上；当单胺缺乏时，其内在水解酶活性被激活，去除现有修饰。其催化机制分两步：首先，TGM2活性位点的半胱氨酸（Cys277）亲核攻击底物谷氨酰胺的γ-羧酰胺基，释放氨分子并形成硫酯中间体；随后，单胺作为亲核试剂攻击该中间体，形成稳定的异肽键并释放酶。

组蛋白单胺酰化主要发生在H3N端尾巴的Q5位点，该区域在染色质中易于接近。不同的修饰具有独特功能：H3Q5ser增强转录激活；H3Q5dop维持持续性转录程序；H3Q5his则通过其质子化咪唑环的空间位阻效应，拮抗WDR5与H3K4me3的结合，从而抑制组蛋白H3K4甲基化，参与昼夜节律调控。非组蛋白单胺酰化的底物识别则依赖于应激条件下蛋白质构象变化暴露出的谷氨酰胺残基（如GTP结合的RhoA暴露Q63）。组蛋白与非组蛋白单胺酰化可能代表了细胞应对不同压力信号的响应系统：前者介导广泛的基因组重编程，具有持久效应；后者则实现局部、短期的功能调整。

3 单胺转运体在生理与疾病中的作用

单胺酰化的发生高度依赖于局部单胺神经递质的浓度，而单胺转运体是调控这一浓度的关键。质膜转运体（如血清素转运体SERT/SLC6A4、多巴胺转运体DAT/SLC6A3）负责从突触间隙或细胞外空间将单胺再摄取回胞质。囊泡单胺转运体（VMAT1/2, SLC18A1/2）则利用质子梯度将胞质中的单胺浓缩储存于囊泡内。这两套系统共同维持着单胺的时空梯度。

已知的靶向转运体的药物（如SERT抑制剂舍曲林、VMAT2抑制剂丁苯那嗪）为研究单胺酰化提供了有力工具。通过改变胞内、胞外或囊泡中的单胺浓度，可以直接影响修饰的效率和特异性。例如，星形胶质细胞中的OCT3（SLC22A3）缺失会减少胶质细胞血清素，进而损害组蛋白色氨酸化，导致GABA能缺陷和嗅觉功能障碍，这为单胺转运体通过调控局部单胺浓度影响表观遗传修饰提供了直接证据。

4 组蛋白单胺酰化的生物学意义

4.1 神经精神疾病

在抑郁症模型中，慢性环境压力会导致中缝背核血清素能神经元中H3K4me3与H3Q5ser的联合标记选择性耗竭，破坏情绪处理电路的转录稳态，该现象在重度抑郁症患者尸检脑组织中也得到证实。星形胶质细胞通过SLC22A3调控的H3Q5ser动态，直接影响特定脑区GABA合成酶的表达，调控嗅觉辨别和恐惧记忆巩固。在成瘾研究中，长期精神兴奋剂戒断会引发纹状体H3Q5dop持续积累，维持成瘾相关即刻早期基因网络的病理转录，驱动复吸行为。阿片戒断则加速腹侧被盖区H3Q5dop积累，通过NMDA受体过度激活导致复发易感性增加。

4.2 肿瘤发生与肿瘤微环境

单胺酰化在癌症中表现出显著的情境依赖性致癌性。在胰腺导管腺癌中，TGM2催化的H3Q5ser转录上调脂代谢关键酶（如SCD1和FASN），驱动代谢重组和肿瘤进展。结直肠癌利用H3Q5ser诱导基质成纤维细胞发生炎症表型转化，通过IL-6/STAT3轴和免疫抑制性巨噬细胞极化促进肿瘤增殖。肝细胞癌则利用H3Q5ser增强超级增强子活性，激活MYC等致癌转录因子网络。此外，在神经内分泌前列腺癌中，H3Q5ser与组蛋白瓜氨酸化协同促进染色质解凝，驱动中性粒细胞胞外诱捕网形成和肝转移。

4.3 昼夜节律与系统性生理整合

H3Q5his是哺乳动物昼夜节律表观遗传振荡器的核心组成部分。其在结节乳头体下丘脑核的表达与H3K4me3呈反相位振荡，在活跃清醒期达到峰值。H3Q5his通过其质子化咪唑环的静电排斥作用，空间阻碍WDR5与MLL甲基转移酶复合物的结合，从而抑制H3K4甲基化和促觉醒基因网络（如 hypocretin）的转录，起到分子刹车的作用。在生殖神经生理学中，短效血清素能药物通过促进腰骶自主神经核中的H3Q5ser形成，调节射精反射弧的兴奋性。

5 非组蛋白单胺酰化在正常生理与病理生理中的多方面功能

5.1 代谢失调与癌症

单胺酰化通过调控细胞代谢在疾病形成和生理稳态维持中发挥重要作用。血清素通过促进小GTP酶Rab3a和Rab27a的血清素化，显著提升葡萄糖刺激的胰岛素分泌。在肺修复过程中，TPI1的多巴胺化将其活性从磷脂合成转向糖酵解，减少脂质过氧化，抑制铁死亡，支持组织再生。在肿瘤微环境中，CD8⁺T细胞中GAPDH Q262位的血清素化增强糖酵解通量，增强其抗肿瘤效应功能。相反，肿瘤细胞中mTOR的血清素化则驱动结直肠癌进展。RhoA的血清素化稳定YAP，启动促增殖基因表达程序。

5.2 心血管病理生理与钙稳态

在肺动脉高压中，升高的血清素驱动肺动脉平滑肌细胞（PA-SMCs）中RhoA的血清素化和组成型激活，刺激血管重塑和血小板活化。肌浆/内质网Ca²⁺ATP酶2a（SERCA2a）的血清素化，特别是在缺氧条件下，会导致其活性降低，胞内钙离子增加，可能调节窦房结节律和肺静脉重塑。单胺酰化还直接调节血管张力，血清素通过TGM2介导的修饰改变血管平滑肌蛋白功能。在哺乳期，乳腺来源的血清素刺激甲状旁腺激素相关蛋白（PTHrP）分泌，动员母体骨钙用于乳汁合成。

6 界定单胺酰化生物学功能面临的挑战与进展

当前单胺酰化研究面临的主要瓶颈是缺乏可靠、便捷的检测方法。现有方法如单胺特异性抗体、竞争性类似物导致的单胺耗竭评估以及定量质谱法等，存在特异性差、灵敏度低、难以区分不同单胺酰化类型等问题。为解决这些问题，化学生物学方法被广泛应用。例如，5-丙炔色胺（5-PT）作为一种炔烃功能化的血清素衍生物，可作为TGM2底物掺入活细胞，随后通过铜催化的叠氮-炔烃环加成（CuAAC）点击化学实现血清素化蛋白的检测和富集。此外，光活性苯基重氮-生物素探针通过pH控制的化学选择性快速偶氮耦合反应（CRACR）特异性标记和富集蛋白质血清素化位点。对于多巴胺化，基于氧化控制的环辛炔-1,2-醌环加成反应的化学蛋白质组学策略已被建立，用于绘制蛋白质多巴胺化的全局图谱。这些新型特异性探针的开发有望克服检测障碍，推动对单胺酰化在各类生理病理背景下具体功能和机制的深入研究。

7 结论与展望

单胺酰化修饰揭示了神经信号直接调控基因组和蛋白质组功能的新范式，在生理稳态维持和疾病进程中扮演着关键角色。未来研究亟需解决几个核心挑战：是否存在其他神经递质参与类似修饰；除TGM2外是否有其他酶参与催化；TGM2如何感知胞内单胺浓度动态并选择特定修饰类型；不同单胺酰化类型之间如何形成调控网络；以及神经活动、单胺酰化事件与生理病理表型之间的因果关系。突破这些挑战需要神经生物学、蛋白质组学、化学生物学等多学科的深度融合。化学生物学需开发更精准的检测工具，结构生物学应聚焦TGM2-核小体复合物的构象变化，神经科学必须在环路水平解析修饰的行为效应，临床研究则需探索人类样本中的修饰谱。只有整合这些多维数据，才能构建从分子到行为的完整理论框架，最终为肿瘤、发育和代谢性疾病等领域提供靶向单胺酰化调控网络的创新疗法。