泛素-蛋白酶体系统与线粒体关系研究进展

窦忠霞，张晓梅，孟晓波(综述)，王　举(审校)

(内蒙古自治区人民医院 a.儿科，b.普外科，呼和浩特 010017)

泛素-蛋白酶体系统与线粒体关系研究进展

窦忠霞a，张晓梅a，孟晓波a(综述)，王举b※(审校)

(内蒙古自治区人民医院 a.儿科，b.普外科，呼和浩特 010017)

摘要：泛素-蛋白酶体系统(UPS)是真核细胞内特异性蛋白降解系统，参与多种生物学活动，包括细胞周期调控、信号转导、细胞凋亡、蛋白质转录及翻译等。UPS异常与人类许多恶性肿瘤、神经退行性病变、心血管疾病及糖尿病等疾病的发生、发展有关。UPS各组分已成为许多疾病的研究焦点。UPS与线粒体关系密切，不但参与线粒体蛋白质量控制、维持线粒体形态，而且直接介导线粒体自噬。

关键词：泛素-蛋白酶体系统；线粒体；细胞周期调控；信号转导；细胞凋亡

Apoptosis

人体细胞中存在多种蛋白降解途径，研究最多的是溶酶体途径和泛素-蛋白酶体(ubiquitin-proteasome system，UPS)途径，其中溶酶体途径主要降解细胞内吞的胞外蛋白质，UPS主要降解胞内泛素标记的蛋白质。UPS通过一系列酶促级联反应对细胞内一些半衰期短的调节蛋白和一些结构异常、错构或受损伤的蛋白进行泛素化，最终导致泛素化的蛋白质被蛋白酶体降解或发生功能改变。该途径的异常与细胞内多种病理状态及许多疾病的发生、发展密切相关。线粒体是细胞氧化供能中心，其形态结构、数量分布及代谢等均易受细胞内、外环境的影响而发生明显的变化。而泛素连接酶的功能异常可直接造成线粒体功能异常。现就UPS系统与线粒体关系的研究进展予以综述。

1UPS的组成结构、生物学功能

UPS由泛素、泛素活化酶、泛素结合酶、泛素连接酶、26S蛋白酶体及去泛素化酶等组成，单独的泛素没有任何生物学功能。其发挥作用首先在腺苷三磷酸(adenosine triphosphate，ATP)供能的情况下被泛素活化酶激活；然后将其转移到泛素结合酶上，通过硫酯键与泛素结合酶活性位点的半胱氨酸相连；最后由泛素连接酶募集特异的底物和泛素结合酶，促使泛素从与泛素结合酶形成的硫酯中间产物转移到靶蛋白赖氨酸残基上，将底物泛素化[1]。由于泛素分子本身有7个赖氨酸残基位点，且泛素本身的赖氨酸残基也可与泛素分子相互结合，因此底物蛋白的一个赖氨酸残基可能结合多个泛素分子，当泛素的赖氨酸残基连接4个或者超过4个泛素标签时，则底物蛋白就可能被26S蛋白酶识别而降解[2]。此外，细胞内还存在多种去泛素化酶，它们能催化水解泛素分子C端的多肽链连接，将泛素分子从底物上水解下来，重复利用。UPS通过泛素化或去泛素化调控细胞内蛋白质的水平，并影响其功能，对维持细胞内的稳定具有重要的意义。

2UPS与线粒体

2.1UPS与线粒体蛋白质量控制线粒体的氧化磷酸化是一把双刃剑，在产生ATP的同时也产生活性氧类(reactive oxygen species，ROS)。ROS可使其周围的蛋白质立即发生错叠及集聚，且基因突变、应激、蛋白质的跨膜异位等均可使蛋白结构异常，这些错叠的蛋白必须清除，否则可使线粒体功能异常[3]。UPS在维持线粒体的蛋白质量控制中发挥着重要的作用，线粒体外膜有多种泛素连接酶，如线粒体泛素连接酶(mitochondrial ubiquitin ligase，MITOL)和SCF(skp1-cullin-F-boxMdm30)复合体。体外泛素化实验表明，MITOL可直接与突变型超氧化物歧化酶1(mutant superoxide dismutase 1，mSOD1)结合，MITOL过度表达促进mSOD1降解和抑制线粒体mSOD1的积累及mSOD1诱导的ROS的生成；相反的，MITOL突变体可导致mSOD1在线粒体中积累，从而提高mSOD1诱导ROS的产生和细胞死亡[4]。而SCF、Parkin则与线粒体外膜上蛋白果蝇洋葱(drosophila melanogaster fuzzy onions，Fzo)和mfn2(mfn1和mfn2是哺乳动物fzo的同源物，两者有80%的相似性)降解有关，其结构异常可导致线粒体功能异常[5-6]。最近，有学者报道，在细胞质内加入蛋白酶体抑制剂，线粒体内膜上的解偶蛋白2、3及基质内寡霉素敏感授予蛋白异常增加[7-8]，表明线粒体内的蛋白降解与细胞质内的UPS有关，但机制尚不清楚。有学者认为其可能与Cdc48有关，Cdc48是ATPase associated with various cellular activities(AAA)超家族成员之一，其哺乳动物的同源蛋白为p97；线粒体应激时VCP/Cdc48-associated mitochondrial stress-responsive-Vms1(Vsm1)由细胞质转位至线粒体外膜，通过其C端VIM基序与Cdc48结合，该复合物一方面增强26S蛋白酶体的功能[9]，另一方面招募Nf14蛋白至线粒体外膜并与其形成一种类似分子伴侣的Vsm1-Cdc48-Nf14复合体，该复合体能够识别并转运泛素化的蛋白到26S蛋白酶体进行降解[10]。而在内质网相关蛋白降解的过程中，Cdc48/p97是反常折叠蛋白的识别因子和病理效应器，陪伴底物从内质网到细胞质中，通过泛素蛋白酶体途径降解[11-12]。因此，有学者认为线粒体内蛋白在细胞质内降解的机制可能与此有关，即Cdc48/p97所介导的蛋白质“复位”[13]。

2.2UPS与线粒体的形态动力学线粒体的分裂/融合需要多个蛋白复合体，它们的功能受多种因素影响。已知参与线粒体分裂/融合的蛋白主要有Fzo和动力相关蛋白1(dynamin-related protein 1，Drp1)。Fzo基因编码的蛋白位于线粒体的外膜，其表达异常可导致线粒体的融合及呼吸功能异常。Cohen等[5]研究发现，在酵母菌Mdm30基因剔除细胞，Fzo1蛋白表达比正常细胞增加，细胞内线粒体数量减少，体积增大；重新导入Mdm30基因后，细胞内线粒体形态及Fzo1蛋白的表达恢复正常。如果Mdm30基因缺乏F-box基序，则Mdm30功能丧失。F-box蛋白是泛素连接酶SCF复合体的重要组分之一。F-box在与结合蛋白Skpl、骨架蛋白Cullin/Cdc53p、Ring Finger形成SCF复合体的同时招募特殊的泛素结合酶Cdc34p，在线粒体上生成单泛素化的Fzo1蛋白，并在Fzo1蛋白48位点赖氨酸残基进一步泛素化，形成多聚泛素链，这样多聚泛素化的Fzo1蛋白被26S蛋白酶体特异性识别、降解，生成单体泛素和多肽[14]。Drp1属于动力蛋白超家族，在哺乳动物细胞中受线粒体外膜分子线粒体分裂因子和Fis1的招募转位至线粒体外膜潜在的分裂位点，在此处多个Drp1分子围绕线粒体外膜形成指环结构，并通过三磷酸鸟苷分解提供能量逐渐缩小分子间距离，直至线粒体分裂[15]。最近研究发现，Drp1基因编码的蛋白是泛素连接酶有丝分裂后期促进复合物(anaphase promoting phase complex，APC)/CCdh1复合体的底物，Cdh1过表达可导致Drp1分子浓度下降及线粒体融合增加，用蛋白酶体抑制剂MG132治疗，则恢复正常；同时剔除Cdh1和Drp1基因或单独剔除Cdh1基因，线粒体断裂增加的程度一致，说明Cdh1是通过Drp1发挥作用[16]。Drp1分子通过D-box结构域与Cdh1结合，使APC/C复合体激活。除了泛素化酶以外，去泛素化酶USP (ubiquitin-specific protease) 30也与线粒体的形态有关，USP30为泛素特异性蛋白，位于线粒体外膜，Nakamura和Hivose[17]通过RNA干扰抑制USP30表达，发现线粒体体积增大，而细胞内总线粒体分裂因子、Fis1、Drp1、mfn2蛋白表达水平未增加；重新导入USP30基序，线粒体形态并未恢复正常，但加入Drp1蛋白，线粒体则恢复正常。这表明UPS不仅仅通过靶蛋白的泛素化或去泛素化调控线粒体的形态，还可能通过改变靶蛋白的活性或空间构象参与线粒体的形态调控。

2.3UPS与线粒体自噬线粒体自噬对维持线粒体的正常功能与数量乃至整个细胞生命活动是至关重要的，目前线粒体自噬的分子机制还不清楚。Parkin是一个由465个氨基酸残基组成的泛素连接酶，其主要结构包括一个N端泛素样结构域，紧邻富含4个半胱氨酸以及能结合锌的RING(really-interesting-new-gene)结构域，即RING0、RINGl、RING2和IBR(in between-RING)。最新的研究发现，Parkin可直接介导线粒体自噬，而且Parkin基因突变被认为是帕金森病重要的发病机制之一[18]。Chan等[6]用羰基氰化间氯苯腙和表达Parkin 的HeLa细胞S3细胞株共同孵育，1 h后，发现线粒体上Parkin的数量显著增加，线粒体外膜蛋白丰度下降，其中下降最明显为mfn1和mfn2，其次为阴离子电位通道蛋白；4 h，线粒体上Parkin继续增加，上述蛋白降解速度减慢，自噬标志物微管相关蛋白分子出现，线粒体主要聚集在细胞核周围；12 h，线粒体碎片增加；24 h，细胞内线粒体数量减少；用蛋白酶体抑制剂可抑制上述过程，特别是在24 h加入可完全抑制线粒体自噬，而无Parkin表达的细胞则无上述变化。这表明Parkin泛素连接酶的活性是Parkin介导线粒体自噬所必需的，而且一些调控线粒体形态的重要分子参与自噬。多项研究表明，正常情况下Parkin处于自我抑制状态，当线粒体膜电位去极化时，磷酸酶张力蛋白诱导激酶1位于257位点的苏氨酸发生自磷酸化获得活性，使Parkin N端泛素样结构域上位于65位点的S丝氨酸发生磷酸化，导致Parkin空间构象发生变化形成同源二聚体，这种变化加强Parkin 泛素连接酶的活性并使Parkin转位至线粒体；活化的Parkin使受损线粒体上的阴离子电位通道蛋白泛素化并被信号接头蛋白p62/SQSTM1(sequestosome 1)识别，后者再与自噬相关蛋白8 (autophagy-related gene product 8,Atg8) 家族同源蛋白微管相关蛋白轻链3连接，进而启动线粒体的降解过程[19-21]。自分泌游动因子受体(autocrine motility factor receptor，AMFR，gp78)，是一个相对分子质量为78 000的七次跨膜螺旋糖蛋白，由N端的七次跨膜结构域、胞外的RING-H2膜体和亮氨酸拉链结构域构成。gp78的N端糖基侧链与多种肿瘤的恶性转移密切相关，其在肿瘤细胞表面表达越高，肿瘤的恶性程度越高，转移倾向也越大。胞外的RING-H2膜体不但与内质网相关的蛋白降解有关还与线粒体自噬密切相关，Fu等[22]报道，gp78过表达可使线粒体断裂，线粒体内OxPhosV蛋白丢失，线粒体自噬增加，加入蛋白酶体抑制剂MG132可逆转上述变化；剔除gp78基因，羰基氰化间氯苯腙引起的线粒体自噬显著减少；而在无Parkin表达的HEK293细胞，gp78介导的线粒体自噬依然发生，表明gp78介导的线粒体自噬与UPS有关，与Parkin无关。另有实验证实，26S蛋白酶体亚单位20S可直接降解自噬标志物LC3，但加入p62则可抑制上述过程[23]。由此可见，线粒体的自噬是一个复杂的过程，UPS不但直接介导线粒体的自噬，还参与其调控。

3小结

目前有关UPS各组分对线粒体影响的研究较多，一些泛素连接酶，如MITOL、Parkin、SCF和APC/CCdh1对线粒体形态及功能的调节起关键作用，与人类多种疾病的发生、发展密切相关。已有研究显示，针对失常关键环节设计药物或基因靶标，对疾病治疗起到了良好的效果[24]。因此，进一步深入研究UPS各组分调节线粒体形态及功能的分子机制，对于疾病诊断和治疗具有重要意义。

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Relationship between the Ubiquitin-Proteasome System and Mitochondrion

DOUZhong-xiaa,ZHANGXiao-meia,MENGXiao-boa，WANGJub.

(DepartmentofPediatrics,thePeople′sHospitaloftheInnerMongoliaAutonomousRegion,Hohhot010017,China)

Abstract：The ubiquitin-proteasome system(UPS) is a specific route of protein degradation in eukaryotic cells.Moreover，it has become clear that the UPS fulfills an important function in most aspects of eukaryotic biology,such as regulation of cell cycle,intracellular signaling,transcriptional contro1 and apoptosis.Any abnormality in UPS may lead to illnesses such as malignancies,neurodegenerative disorders,cardiovascular disease and diabetes.UPS components have become the research focus of many diseases.Recent studies demonstrated a close relationship between UPS and mitochondrion.Accumulating evidence shows that the UPS plays an essential role not only in mitochondrial protein quality controls and dynamics,but also in the initiation of mitochondrial mitophagy.

Key words:Ubiquitin-proteasome system； Mitochondrion； Cycle regulation； Signal transduction；

收稿日期：2014-12-16修回日期：2015-04-30编辑：郑雪

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.23.012

中图分类号：R363； R34

文献标识码：A

文章编号：1006-2084(2015)23-4258-03