运动介导蛋白质泛素化调控线粒体质量控制的机制探讨

孙 易，丁树哲，季 浏



运动介导蛋白质泛素化调控线粒体质量控制的机制探讨

孙 易1,2，丁树哲1,2，季 浏1,2

线粒体处于持续动态变化，线粒体生物发生、线粒体融合、线粒体分裂和线粒体自噬之间的平衡对维持细胞功能至关重要，其中，泛素-蛋白酶体系统被认为在其中发挥着重要作用。对蛋白质泛素化对线粒体质量控制作用的最新研究展开阐述。从蛋白质泛素化入手，探讨其通过调控线粒体生物发生、线粒体动态变化和线粒体自噬从而对线粒体质量控制产生的影响，并论述相关分子机制，着重探讨线粒体相关E3泛素连接酶及泛素特异性蛋白酶的作用，在此基础上阐明运动可能通过泛素-蛋白酶体系统对线粒体质量控制产生的干预作用，从而为未来相关领域研究奠定理论基础并指明方向。

泛素-蛋白酶体；线粒体；运动；质量控制；泛素化

研究表明，诸多慢性疾病，如肥胖和II型糖尿病的发生等都伴随着某种程度的代谢异常。可以说，代谢异常对慢性疾病的发生和发展都起到至关重要的推进作用。近年来，代谢类疾病的发病呈现年轻化的趋势，在青少年中并不鲜见。自然而然地，线粒体作为细胞代谢的中心场所再一次引起科研人员的重视。

细胞及细胞器在应对应激刺激时会分别产生正向适应和逆向适应两种变化。正向适应主要指细胞的分裂生长、蛋白质的合成以及组织器官功能增强等“生长型”的变化；逆向适应则以细胞凋亡、细胞器自噬以及蛋白质降解等“破坏型”的变化为标志。尽管往往伴随着“破坏型”的变化，然而，逆向适应的存在对清除受损细胞器、维持细胞质量以及控制寿命等方面都不可或缺。

1 蛋白质泛素化简述

在真核细胞中，为了确保细胞的生存和正常生长，线粒体介导的一系列生化反应必须得到适当的调控，清除无用的蛋白质是其中一类重要的调控方式。蛋白质的清除是通过依赖于蛋白酶体的降解通路发生的。蛋白酶体是可以将蛋白消化成氨基酸从而使其得到再利用的一种复合物。当细胞的内环境或生存需要发生变化时，多余的、无用的或受损的蛋白质被识别，随后被蛋白酶体降解。在降解开始前，待降解的蛋白质首先通过添加一个小蛋白泛素分子作为标记，进而被呈递给蛋白酶体，这一标记和呈递过程即是泛素化。

泛素化是在泛素(ubiquitin)的介导下完成的。泛素，顾名思义，是一种在真核细胞中广泛存在的，高度保守的蛋白。人体中存在的泛素蛋白包括UbA80、UbA52、UbB以及UbC。泛素蛋白由76个氨基酸组成，其中约10%为赖氨酸。除了介导泛素化过程以外，泛素还对蛋白质转运和翻译后调控起到一定作用。

泛素化过程参与调节一系列细胞反应，如蛋白质更新、细胞周期调节、应激反应、细胞器生物合成和细胞稳态维持等。简单来说，通过小分子泛素对底物蛋白的修饰，待降解的蛋白在E1(ubiquitin-activating，泛素激活酶)、E2(ubiquitin-conjugating，泛素结合酶)和E3(ubiquitin ligase，泛素连接酶)这3种酶间逐级传递，期间添加多个泛素作为标识并最终被26S蛋白酶体降解。这些底物蛋白可以被(多)单泛素化[(poly)mono-ubiquitination]或多泛素化(poly-ubiquitination)。多泛素链(poly-ubiquitin)的延伸能发生在泛素分子7个赖氨酸残基中的任意一个上，且不同赖氨酸位点发生泛素化可以导致迥异的细胞效应发生。研究表明，4个(含)以上泛素分子连接到Lys(K48)位点能驱动蛋白酶体降解，而Lys63(K63)位点的泛素化以及单泛素化过程则能保护被修饰的底物蛋白免于降解，而是将其转运至功能性的细胞信号通路上，如转运、信号转导和自噬[35，46]。另外，近期很多研究显示，“非典型”的泛素链，即除K48 和K63以外的连接在众多生命过程中发挥广泛作用[18]。类似地，不同的E2酶也能介导不同的泛素连接类型发生，如E2酶UBE2N(也称作Ubc13)与UBE2V组成异源二聚物，能形成K63-linked泛素链，但截止目前，其他E2酶选择哪种连接方式则不甚明了[19，46]。

与有限的E2酶相对应，数百种蛋白分子都可以发挥E3酶的作用[71]，因此，也是泛素化过程中调控最为多样化的一步。E3酶的调控机制通常涉及到自泛素化(auto-ubiquitination)。E3酶可以在自身和底物蛋白上组装成多泛素链。

2 运动、线粒体质量控制与蛋白质泛素化

线粒体是双层膜包裹的细胞器，在真核细胞中扮演重要角色，它是脂肪酸氧化、三羧酸循环和氧化磷酸化等重要生理生化过程发生的主要场所。线粒体处于持续动态变化，这对维持很多细胞功能都至关重要，如能量产生、代谢和细胞死亡等。线粒体的融合和分裂被认为是调节线粒体网络健康程度的重要保障。处于应激状态或受损的线粒体需要被标记并选择性地降解，以防止其与健康的线粒体整合。功能异常的线粒体会影响生物合成通路，使细胞产生过量的ROS并激活细胞死亡通路。线粒体功能异常还可能导致细胞损伤，受损的线粒体能释放出高浓度的Ca2+以及细胞色素c，从而触发细胞凋亡。因此，及时清除功能异常的线粒体对维持细胞生存十分重要，受损线粒体清除不当会导致衰老、代谢疾病和神经退化性疾病如帕金森氏症(Parkinson’s Disease,PD)等的发生。为了维持线粒体的健康程度，细胞产生了一种质量控制机制，通过溶酶体隔离并降解受损线粒体，这一过程被称为线粒体自噬[48]。线粒体生物发生和线粒体自噬间也需达到平衡，且线粒体融合和分裂同时有序进行。

泛素-蛋白酶体系统(UPS)通过调节线粒体蛋白质的更新(turnover)和/或蛋白活性来控制线粒体的蛋白质平衡，这也是线粒体质量控制的一种重要机制。UPS受损和线粒体功能失调是衰老的两个重要特征，且与衰老相关的疾病，如阿尔兹海默症、PD和癌症等均相关[26，56，79]。UPS和自噬溶酶体系统通过清除无用和受损的蛋白质从而共同为维持细胞蛋白质平衡贡献力量，减轻受损蛋白造成的细胞毒性[30]。尽管线粒体本身具备若干处理机制用于应对自由基，然而它们仍常受氧化应激损伤，因此，需要依赖于UPS移除受损的线粒体蛋白。有效的UPS对于维持线粒体健康至关重要。反之亦然，过多的ROS生成不仅导致受损蛋白质增加，且会氧化和损伤蛋白酶体亚基本身从而降低其催化活性。因此，健康的线粒体对于维持UPS系统有效性也是必备条件。衰老常常伴随着UPS功能降低，包括蛋白酶体亚基的下调、酶的错配、底物的过度堆积和ATP水平降低等以及突变线粒体DNA堆积，类似的变化在阿尔兹海默症和PD中也可见[78]。由于线粒体的主要生化反应和关键功能均位于线粒体膜上，因此，已有的多数有关泛素化对线粒体蛋白作用的研究都围绕着膜蛋白展开。

UPS是一个ATP依赖的过程，主要针对性清除大多数生存周期较短的蛋白质，而运动被认为对UPS的组成成分和整体功能无论在生理还是病理条件下均具有某种程度的调控作用，因而对于维持细胞内蛋白质平衡和细胞稳态发挥重要作用[36]。近几年，有几项研究探索了运动对UPS整体活性的影响。24 h跑台运动后，蛋白酶体的β2亚基活性显著增加，而β1和β5亚基的活性却未见明显变化[36]。当施以5天跑台训练干预，末次运动后24 h可见蛋白质降解率降低，且伴随蛋白酶体β5亚基活性降低[44]。与此相对，后肢悬挂则导致β5亚基活性增加，而β1和β2亚基活性未发生变化[37]。8周有氧训练后，小鼠骨骼肌26S蛋白酶体的活性显著增加，然而被泛素化蛋白的总量无显著变化[16]。针对心衰病人因UPS过度激活而导致的骨骼肌衰减症状，中等强度的有氧运动亦可通过重铸蛋白酶体活性使其获得改善[17]。当前已有的有关运动对UPS影响的研究大部分局限于探讨蛋白酶体活性这一层面，而针对性探索运动对UPS系统构成成分，如E1/E2/E3酶的研究则相对稀缺。已有的研究包括探索大鼠跑台训练和人被动自行车运动对E2酶的影响，其中，前者未见E2酶发生变化，而后者可见E2酶活性降低[44，80]。此外，另一个存在的问题，是已有的运动-UPS相关研究多数只探讨到骨骼肌蛋白质泛素化的层面，而没有深入到线粒体这一特定细胞器。例如，Rnf28和MuRF1是被研究较多的两种骨骼肌E3酶，其被有氧运动和抗阻训练的调控作用均已有探讨，然而，线粒体相关E3酶则较少涉及，此部分将在接下来的段落中重点论述[34，72]。

2.1 运动、线粒体生物发生与蛋白质泛素化

线粒体生物发生指细胞内新兴线粒体形成的过程。骨骼肌收缩、低温刺激、热量限制等应激因素均能改变线粒体生物发生的速率。一系列信号分子亦对线粒体生物发生起到调控作用，其中被研究得最广泛的是PGC-1(过氧化物酶体增殖活化受体 γ共激活因子-1)，它对促进线粒体蛋白合成、增加线粒体DNA拷贝数、增加线粒体数量和促进其功能均起到重要作用。除此之外，NRF1/2(核呼吸因子)、Tfam(线粒体转录因子A)、Mfn1/2(线粒体融合因子)等也对线粒体生物发生的信号通路贡献颇大。运动被发现能在老年人群中增加线粒体DNA拷贝数并促进线粒体生物发生[59]。作为一种核编码蛋白，Tfam被输入进线粒体，且对线粒体DNA的转录至关重要。基于大鼠模型的一项研究表明，电刺激诱导肌肉收缩后，Tfam的mRNA表达在第4天显著升高，随之蛋白质输入机制(PIM)组件蛋白及Tfam蛋白含量增加[32]。此外，PGC-1α敲除小鼠骨骼肌线粒体完整性受到破坏，而自主跑轮运动可以将受损线粒体修复[29]。

PGC-1α和PGC-1β在线粒体生物发生和能量代谢中发挥重要作用，包括参与调控呼吸和脂肪酸的β氧化。体外培养细胞中PGC-1β过表达会导致线粒体数量增加和呼吸功能增强[73]。PGC-1β转基因小鼠亦表现出高能量消耗和对肥胖的抵抗作用[40]。一种首先在类风湿滑膜细胞cDNA中发现的E3泛素连接酶滑膜素(Synoviolin，Syvn1)是哺乳动物中Hrd1p/Der3p的类似物，位于线粒体[1]。Fujita等[25]的研究发现，Syvn1条件性敲除小鼠体重降低，白色脂肪组织减少。且Syvn1能泛素化PGC-1β，Syvn1敲除后PGC-1β靶基因表达上调，线粒体数量增加，呼吸和基础代谢率亦增加。因此，可以说，Syvn1通过泛素化PGC-1β来调控线粒体生物发生和能量代谢。此外，PARIS是新近被发现的PGC-1α的负调节因子。Parkin能泛素化PARIS并致其降解，从而增强线粒体基因转录[69]。

2.2 运动、线粒体动态变化与蛋白质泛素化

线粒体动态变化包括线粒体融合和分裂，其中，前者主要由位于线粒体外膜的Mfn1/2(Mitofusin，线粒体融合蛋白)、线粒体膜间隙的Opa1(optic atrophy 1,视神经萎缩蛋白1)和线粒体内膜的动力蛋白相关GTP酶(dynamin-related GTPase)介导，而后者主要由Drp1(Dynamin related protein 1，动态相关蛋白)和Fis1(Fission 1，线粒体分裂蛋白)介导。线粒体融合使得受损的线粒体DNA与未受损的线粒体相混合，从而保留线粒体功能[8]。缺少线粒体融合活性的变异小鼠展现出严重的线粒体DNA变异和DNA耗竭，并随之发生呼吸缺陷[9]。分裂事件则在细胞遭受高水平应激的时候有利于细胞凋亡[50]。线粒体分裂则通过胞浆Drp1转位到线粒体，并与分裂因子Fis1和Mff共同作用来调控。片段化线粒体，即受到不可逆损伤的线粒体可以通过自噬途径得到清除[45]。另外，氧化应激和营养剥夺等细胞应激状态能诱导线粒体一过性地形成高度融合的网络形态。线粒体过融合被认为是用以抵抗应激刺激的适应性结果，通过高度融合的线粒体维持细胞活力并改善能量供应，此过程已知部分由Drp1磷酸化而致Drp1水平下降介导[76]。然而，是否尚有其他细胞机制参与介导线粒体融合则不甚明了。运动对线粒体动态变化的影响已在诸多实验中探索过，如急性跑台运动后可见Mfn1和Mfn2的mRNA含量以及Mfn1的蛋白水平逐渐降低，且运动训练后也可见骨骼肌Mfn2含量增加[5，20，24]。有趣的是，除了介导线粒体生物发生，PGC-1α同样在运动后通过诱导Mfn2参与介导线粒体融合[5]。与之相反，急性运动后Fis1的mRNA和蛋白水平是显著增加的。

Parkin是一种IBR型的RING域E3酶，是根据其对PD的致病作用命名的。PD是一种黑质多巴能神经元及其他神经元亚群发生逐渐退化，导致大范围的运动和非运动残疾的机能失调疾患。Parkin的基因变异是导致常染色体隐性遗传PD的最常见原因[14]。应激状态下，Parkin转移到功能受损的线粒体并泛素化Mfns使之被蛋白酶体降解[6]。然而，由于在Parkin缺乏的细胞中，Mfns的更新同样受泛素/蛋白酶体系统调控，因此，可能存在另外一种E3泛素连接酶也具有类似Parkin的调控作用有待发现[6]。与此相类似，Parkin在Mfn1/2双敲除的细胞中也可以启动线粒体自噬，这表明除了Mfns之外，应该还存在其他线粒体外膜相关蛋白也发挥着类似Mfns的作用[75]。目前已有研究探讨超长时间跑台运动对Parkin的影响，结果显示，运动后，骨骼肌磷酸化Drp1的蛋白水平增加，而Mfn1和Parkin表达均未见明显变化。在哺乳动物中，MARCH5(也称作MITOL)，一种线粒体相关的RING-finger E3酶可以通过泛素化Fis1、Mfn1/2及动员Drp1从胞浆转运到线粒体调控线粒体形态[42，64]。Park等[65]的研究显示，应激状态下线粒体的适应是通过MARCH5作用于乙酰化的Mfn1实现的。很可惜，目前还没有运动干预对MARCH5影响的相关研究。

Omi/HtrA2是一种核编码的线粒体蛋白酶。当位于线粒体膜间隙时，Omi/HtrA2的表达对于蛋白质质量控制和线粒体平衡起到重要作用。在应激条件下，Omi/HtrA2能降解E3酶MUL1，而后者对于Mfn2蛋白的表达和线粒体自噬都有一定调控作用[12]。MUL1有SUMO连接酶的活性，能够稳定Drp1[4]，且兼具泛素连接酶的活性，能在空间结构上与Mfn结合并降解Mfn[55]，因此，哺乳动物细胞中MUL1的高表达导致线粒体网络变小，且呈片段化[52]。Yun等[82]的研究表明，MUL1通路和PINK1/Parkin通路均能通过操控Mfn来调控线粒体质量，且其作用是平行的。除上述E3酶之外，RNF5和Huwe1也被发现分别通过泛素化Fis1和Mfn2调控线粒体动态变化及凋亡[49，84]。

2.3 运动、线粒体自噬与蛋白质泛素化

2.3.1 线粒体自噬

线粒体自噬是细胞自噬的一种。细胞自噬是一种高度保守的，通过一系列代谢通路降解细胞器和细胞器成分的过程，而线粒体自噬是细胞自噬中相对不保守的一种。在自噬过程中，细胞膜包覆着将被降解的细胞器或细胞器成分，形成一种被称为自噬体的双层膜结构，自噬体进而与溶酶体融合以完成物质降解。在细胞自噬通路中，几个关键的分子为ULK1复合物(Atg1,Atg13)、PI3K复合物(Atg14,Vps34,Beclin1)、Atg5、Atg12、Atg16、 LC3和Lamp2等[3]。线粒体自噬与细胞自噬共享下游通路，两者不同的地方主要在于线粒体自噬的启动装置，即能够单单触发线粒体自噬，而非细胞自噬的条件。已有研究揭示了可能作为“启动装置”的分子，如与泛素结合的调节蛋白p62/SQSTM1能够聚积在受损的线粒体上，从而招募受损线粒体至自噬体[27]；又如Nix蛋白位于线粒体上，可以直接与LC3结合从而形成自噬体。除此之外，PINK1和Parkin两种蛋白也在近几年被发现对线粒体自噬起到重要调控作用[74]。

2.3.2 运动、PINK/Parkin与线粒体自噬

在哺乳动物中，线粒体的清除主要依赖于PINK1和Parkin介导的通路。PINK1是一种线粒体丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，它更新的速度很快，因此，在线粒体膜处于正常极性的状态下含量很低[38]。然而，线粒体膜电位的去极化抑制了PINK1的降解，从而导致PINK1在线粒体外膜聚积[58]。Parkin被招募至线粒体，PINK1在丝氨酸位点65(S65)磷酸化Parkin的Ubl域和泛素分子[41]。S65位点的磷酸化促进Parkin从胞浆到线粒体的转运，从而使Parkin泛素化包括自己在内的一系列线粒体外膜蛋白。因此，可以说，Parkin的E3酶活性对有效通过线粒体自噬途径清除功能障碍的线粒体至关重要。以Parkin为代表的E3酶的自泛素化过程可以被去泛素酶(deubiquitinase,DUBs)拮抗，后者能从已被泛素化的E3酶上清除泛素分子，从而保护E3酶免于遭遇蛋白酶体降解。

运动训练一般被认为诱导自噬的发生。例如，4周自主跑轮运动导致骨骼肌自噬蛋白表达增加[54]。与此相类似，8周游泳训练在骨骼肌中上调自噬相关蛋白Bnip3的含量[39]。然而，PINK1和Parkin的mRNA和蛋白含量均未见明显变化，表明运动诱导线粒体自噬可能是不依赖于PINK1/Parkin信号通路的。此外，不同运动干预方式对PINK1和Parkin在不同组织中的调控作用也不尽相同。例如，尽管自主跑轮运动和耐力训练都能提高肝脏中的自噬信号分子Beclin1和Beclin1/Bcl-2比，然而，只有耐力训练能上调Mfn1、Mfn2、PINK1和Parkin的表达[31]。另有证据认为，跑台训练能上调肝脏Parkin的水平，而持续同样时间的自主跑轮运动则下调其水平[68]。在大脑皮质中，12周跑台训练或自主跑轮运动可导致PINK1含量升高，不过Parkin水平未见改变[57]。

除自身外，Parkin亦能泛素化其他线粒体蛋白，包括Mfn1/2，线粒体蛋白转入受体亚基TOM20、TOM40和TOM70，己糖激酶，Bcl-2家族成员，线粒体Rho GTP酶，Drp1和电压依赖阴离子选择通道蛋白1(VDAC1)[27，62]。然而，一项研究结果显示，急性抗阻运动后，尽管线粒体DNA拷贝数和蛋白含量降低，泛素化VDAC及其与PINK1/Parkin之间的关联并无显著增加，表明有除VDAC以外的蛋白介导急性运动诱导线粒体蛋白降解[61]。Parkin的结构显示，与E2酶UBE2结合的RING1域表面在正常情况下是处于自抑制状态的[77]。当线粒体去极化时，PINK1在S65残基磷酸化Parkin，导致Parkin的UBl域被释放[7]。这使得它与不同的E2酶，如UBE2L3或UBE2N产生联系。在体外实验时，Parkin还对其他一些E2酶，如UBE2D(也称作UbcH5)产生泛素化活性[43]。从功能上说，K48位点连接的泛素链可使Parkin被指派至蛋白酶体并降解[53]，然而，与UBE2N结合可以导致K63位点连接的泛素链在底物上聚集，从而致其自噬降解[63]。Geisler等[28]探索了可能参与调节Parkin介导线粒体自噬的一系列UBE2酶，发现敲除E2酶UBE2N、UBE2L3或UBE2D2/3显著减少对去极化线粒体的自噬清除，然而并不干扰线粒体PINK1的稳定性和Parkin的转位。单独敲除UBE2N能特异性防止K63位点泛素化的发生，然而，多泛素分子和p62依然存在于线粒体上。只有当所有UBE2s都被敲除时，线粒体的多泛素化水平和p62招募会显著减少。另外，Mfns、TOM20、TOM70、VDAC1和Parkin的泛素化水平也相应降低。因此，可以说，UBE2N、UBE2L3和UBE2D2/3协同完成对Parkin介导线粒体自噬的贡献作用。

除Parkin外，自噬受体蛋白p62和Beclin1同样对线粒体自噬的发生至关重要。p62能与线粒体外膜上的多泛素化蛋白结合并介导被标记的线粒体通过自噬体吞噬[27]。而自噬蛋白Beclin1则在自噬体的形成和成熟中扮演重要作用。Beclin1可以与Parkin结合，调控Parkin转位到线粒体。Beclin1在两个水平上控制线粒体自噬，在自噬起始阶段线粒体去极化时控制Parkin转位，同时，自噬体的形成同样需要Beclin1[11]。

2.3.3 MUL1与线粒体自噬

线粒体是一种对自由基和细胞内生物能量高度敏感的细胞器，在探测到两者变化时能充当哨兵角色，并调控HIF1α和AMPK等信号通路，而后两者为自噬的关键调控因子[67，83]。AMPK是一种保守的细胞和线粒体能量感受器，它能磷酸化ULK1，而后者是启动细胞自噬和线粒体自噬的关键调控分子[23]。在细胞遭受中等程度氧化应激时，线粒体外膜蛋白质发生泛素化，并往待蛋白酶体降解的途径发展；而在慢性和严重应激的刺激下，线粒体膜电位遭受破坏，继而走向选择性线粒体自噬的道路[60]。Li等[51]的研究表明，ULK1亦是MUL1的底物，MUL1以依赖于ATG5和ULK1的方式调控亚硒酸盐诱导的线粒体自噬，在亚硒酸盐干预下，ULK1部分转位到线粒体并与MUL1发生关联。

3 运动、USPs与线粒体质量控制

人类蛋白质组包含约80种有功能的DUBs，隶属于5个亚类，其中最大的一个亚类是泛素特异性蛋白酶(ubiquitin-specific protease,USP)家族，然而，目前有关USP的研究还较少，与运动或线粒体相关的探索更是稀少[47]。已有的运动相关研究发现包括以下几项：比目鱼肌在经受持续拉伸后可见USP28基因表达增加[70]；后肢悬挂后可见小鼠USP28的mRNA表达增加，而USP19的mRNA表达未见显著变化[37]；高强度运动则能显著上调USP9x和USP10[81]。

USP15是一种广泛在大脑和其他器官中表达的DUB，它能逆转Parkin介导的线粒体自噬，如PD病人的成纤维细胞中可见因PARK2基因变异而导致的线粒体自噬缺陷和Parkin水平降低，敲除USP15则可以缓解这种变化[13]。事实上，USP15既不会影响Parkin的泛素化状态，也不会影响Parkin向线粒体的转移，只是能够抵消Parkin介导的线粒体泛素化过程。因此，可以说，USP15是一种Parkin的拮抗剂，抑制USP15可能是针对因为Parkin水平降低而导致PD疾患的有效治疗办法。在一项基于芯片分析技术对不同种族人群的比较研究发现，12周运动训练可以在“高反应人群中”显著增加USP15的mRNA表达[66]。

除USP15外，最新的研究发现，USP30和Parkin共同参与对线粒体自噬的调节[18]。USP30是已知的唯一一种与线粒体直接相连的DUB。当线粒体受损时，在Lys6、Lys11和Lys63位点形成的泛素链在线粒体上以Parkin依赖的方式被合成，而USP30则会优先水解Lys6和Lys11位点的泛素链，因此，与Parkin形成了一个偶联系统，其中，前者抑制线粒体自噬而后者则起到促进作用[18]。不过这并不排除其他USP和其他位点泛素链在线粒体自噬中的作用。

除Parkin外，研究发现了12个与线粒体相关的蛋白质能够被外源性表达的USP30高度去泛素化，MUL1、VDAC1、VDAC2、VDAC3和MTX1均处于影响线粒体质量控制和线粒体形态的信号通路中[2，10，55]，其中，最显著被USP30去泛素化的是MUL1(也称作MULAN或MAPL)。MUL1是一种线粒体E3酶，它与几种线粒体相关疾病，如肌肉萎缩和PD等有关。MUL1的酶和生化功能都与Parkin很相似，这表明USP30隶属于一个连接酶和去泛素酶构成的庞大网络中，共同维持线粒体稳态。Cunningham等[18]提出了一个由USP30及其底物构成的线粒体健康状态监控模型。他们提出，USP30的监控作用阻止了泛素链在线粒体蛋白上的异常堆积，从而防止在线粒体健康的情况下发生异常的线粒体自噬。与此相类似，位于蛋白酶体上的DUB同样可以防止底物蛋白质在不应被泛素化降解时发生误降解[15，33]。当线粒体发生损伤时，Parkin被招募至线粒体膜并被高度激活，这使得泛素-去泛素平衡移向泛素链的堆积，并最终激活线粒体自噬通路。当Parkin发生病态变异，或因某种原因导致Parkin活性降低时，E3酶不能与USP30的去泛素化能力相抗争，从而导致线粒体自噬通路不被激活。这些受损的却未被标记的细胞器会污染线粒体网络，从而导致疾病状态。

表1 主要线粒体相关E3泛素连接酶及去泛素酶一览表

在以往的研究中，并没有证据表明USP8与线粒体质量控制有关。然而，Durcan等[21]于2014年最新的研究发现，USP8对于Parkin介导的线粒体自噬至关重要。Parkin主要在自身形成非经典的K6位点连接的泛素聚集体，这对招募Parkin至去极化的线粒体，及随后的线粒体自噬是必备的步骤，而USP8能优先地从Parkin清除K6位点泛素链[21，22]。有趣的是，当USP8被沉默时，K6位点形成的泛素聚集体会在Parkin上持续表达，这将干扰Parkin与PINK1和磷酸化泛素的结合，使得Parkin转位到受损线粒体的过程产生时间延迟。另外，Parkin与p62、LC3或其他自噬受体的结合也会受阻，因而不能完成线粒体自噬全程[22]。

4 小结与展望

作为降解、清除受损蛋白质的主要通路，UPS参与调节一系列细胞过程，其中，不同干预措施对多样化的E3泛素酶及USPs的调控一直是相关领域的研究重点。近年来的研究表明，线粒体的形态和功能亦直接受到UPS的调控，后者通过参与线粒体生物发生、线粒体动态变化和线粒体自噬等过程移除受损的线粒体蛋白质，维持线粒体质量，同时对阿尔兹海默症、PD和癌症等的发生发展也存在干预作用。较新的研究显示，运动干预能改变UPS组分的激活程度，在生理及病理条件下均对UPS的功能发挥调控作用，从而维持细胞稳态和胞内蛋白质平衡。然而，截止目前，特定性探索运动干预介导蛋白质泛素化调控线粒体质量控制的机制性研究还很缺乏。在未来的研究中，以下几方面的课题探索将填补本领域的空白，具有理论探讨意义和实际应用价值：

1)拟探讨运动对线粒体自噬相关因子Parkin和MUL1的调控作用，以期在动物整体层面上阐明其在线粒体质量控制中可能发挥的平行作用；2)拟探讨不同运动方式对线粒体动态变化相关因子MARCH5的干预作用，并阐述其通过修饰Mfn1、Mfn2、Drp1和Fis1对线粒体融合和分裂的调控作用及机制；3)拟探讨线粒体生物发生及线粒体自噬相关信号通路Parkin/PARIS/PGC-1α在运动介导线粒体效应中的作用机制；4)拟探讨不同运动方式对线粒体相关去泛素酶，如USP8、USP15和USP30的干预作用，并探索其他潜在USPs对线粒体相关E3酶的拮抗作用；5)拟探索UPS在运动改善肥胖、II型糖尿病和PD中的介导作用。

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The Mechanism of Exercise-Induced Protein Ubiquitination Regulating Mitochondrial Quality Control

SUN Yi1,2，DING Shu-zhe1,2，JI Liu1,2

Mitochondria are under dynamic changes.The balance between mitochondria biogenesis,mitochondria fusion,mitochondria fission and mitophagy is vital to maintenance of cellular functions,among which ubiquitin-proteasome system is considered to play a key role.In this review,we aim to discuss the effect of protein ubiquitination on mitochondrial quality control via regulating mitochondrial biogenesis,mitochondrial dynamics and mitophagy.Relevant molecular mechanism,especially the roles of E3 ligases and ubiquitin-specific proteases will be elaborated.In addition,ubiquitination mediated effect of exercise on mitochondrial quality control will be explored,so as to construct theoretic foundation and provide direction for future researches in this area.

ubiquitin-proteasomesystem；mitochondria；exercise；qualitycontrol；ubiquitination

1000-677X(2016)10-0048-08

10.16469/j.css.201610007

2015-12-24；

2016-09-01

中国博士后科学基金资助项目(2014M561430)；国家自然科学基金资助项目(31600967)；青少年POWER工程协同创新中心项目(44801400)；《青少年健康评价与运动干预》教育部重点实验室建设项目(40500-541235-14203/004)。

孙易(1985-)，女，黑龙江哈尔滨人，讲师，博士，主要研究方向为运动对肥胖和II型糖尿病的干预机制，E-mail：ysun@tyxx.ecnu.edu.cn；丁树哲(1963-)，男，黑龙江哈尔滨人，教授，博士，博士研究生导师，主要研究方向为线粒体运动适应与信号调控，E-mail：szding@tyxx.ecnu.edu.cn；季浏(1961-)，男，江苏泰兴人，教授，博士，博士研究生导师，主要研究方向为青少年体质健康评价、体育课程与教学、体育心理学，E-mail：lji@tyxx.ecnu.edu.cn。

1. 华东师范大学 青少年健康评价与运动干预教育部重点实验室，上海 200241；2. 华东师范大学 体育与健康学院，上海 200241 1. Key Laboratory of Adolescent Health Assessment and Exercise Intervention of Ministry of Education,East China Normal University,Shanghai 200241, China；2. School of Physical Education and Health Care,East China Normal University,Shanghai 200241, China.

G804.5

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