线粒体、高尔基体及内质网中UBIAD1蛋白的生理作用研究进展

梁青云，许志亮，张远起

1 广东医科大学，广东湛江 524000；2 广东医科大学附属医院血管甲状腺乳腺外科；3 广东医科大学附属医院临床研究实验中心

UBIAD1 蛋白是维生素K2和辅酶Q10 的生物合成酶［1-2］，其基因表达由转录因子阴阳1 所调控［3］，参与胆固醇代谢［4］、氧化平衡［5］及细胞信号转导等生物学过程。UBIAD1 蛋白在不同的细胞定位于不同的亚细胞器，从而发挥不同的功能。研究者们先后发现，UBIAD1 蛋白定位于人成骨细胞样细胞MG63 的内质网上促进维生素侧链交换催化维生素K1转换为维生素K2［6］；定位于人角膜实质细胞［7］及果蝇衍生的S2 细胞中的线粒体［8］可对维生素K2的合成及线粒体呼吸链电子传递发挥一定作用；定位于人类内皮细胞的高尔基体［5］合成非线粒体型辅酶Q10，通过一氧化氮发挥抗氧化作用。研究［9-11］显示，UBIAD1 蛋白的异常表达与多种细胞病理过程相关，且与肿瘤、脂代谢紊乱、氧化应激及多种心脑血管疾病等密切相关，但UBIAD1 蛋白的亚细胞定位与多种疾病的关系尚未明确。了解不同亚细胞器中UBIAD1 蛋白的作用有助于为后续挖掘UBIAD1 作为其相关疾病的治疗靶点提供理论依据。本研究就近年线粒体、内质网及高尔基体中UBIAD1 蛋白生理作用的研究进展进行以下综述。

1 线粒体中UBIAD1蛋白的生理作用

UBIAD1 蛋白可参与维持线粒体结构稳定及调控脂质代谢［8］。线粒体的结构正常是保证信号传递的前提［12-13］。研究发现，果蝇的heix 基因突变（ubiad1 在果蝇的同源基因，果蝇体内维生素K2的生物合成者之一）可使果蝇生物模型的线粒体膜电势及ATP 合成能力下降，发生飞行能力障碍［14］。通过检测线粒体的形态发现，heix 基因突变导致线粒体结构崩溃及缺陷，而予heix 基因突变体果蝇喂养维生素K2发现其生存率大幅度提高并弥补其他细胞水平上的缺陷，从而说明HEIX 蛋白及其合成的维生素K2在维持果蝇线粒体结构方面不可或缺，可在一定条件下修补由于帕金森症相关基因pink1 缺失所导致电子传递及ATP 的合成障碍［15］。另外也有研究［16］报道，维生素K2可以修饰线粒体结构蛋白Bax，进而影响线粒体结构。而人类UBIAD1 蛋白突变也可能影响线粒体功能［7］。通过使用电子显微镜分析施耐德结晶状角膜营养不良症患者角膜样本发现，其线粒体囊性肿胀，但机制尚不清楚［17］。此外，UBIAD1蛋白定位于细胞线粒体与线粒体蛋白TBL2相互作用［18］，进一步稳定细胞线粒体结构。以上研究说明UBIAD1 蛋白在维持线粒体结构和平衡氧化还原循环中具有重要作用。

另外，UBIAD1 蛋白定位于细胞线粒体，通过线粒体信号调节细胞内脂质和甾醇的代谢流程，影响细 胞 内 胆 固 醇 的 含 量。FREDERICKS 等［19］通过miRNA敲低细胞UBIAD1蛋白及TBL2的表达，发现UBIAD1 及TBL2 蛋白水平降低可引起人胚肾细胞株HEK293细胞胆固醇水平增加，这表明UBIAD1蛋白在线粒体上定位具有调节胆固醇的潜力，但其具体机制尚不明确。

2 高尔基体中UBIAD1蛋白的生理作用

高尔基体中UBIAD1蛋白可合成辅酶Q10，调节氧化应激。UBIAD1 定位于高尔基体合成非线粒体辅酶Q10，调节内皮型一氧化氮合酶（eNOS）活性，影响细胞活性氧（ROS）合成，避免细胞发生脂质过氧化损伤。MUGONI等［5］发现，内源性UBIAD1与高尔基体特异标志物TGN46 在人内皮细胞（ECs）内精确共定位，表明UBIAD1 蛋白位于高尔基体。将13C6 标记的4-羟基-苯甲酸与人内皮细胞共孵育后检测其新合成的辅酶Q10，发现当UBIAD1表达减少时，高尔基体区合成的CoQ10-13c6 较线粒体组减少；另外，在人内皮细胞的亚细胞碎片中，发现只在高尔基体抽提物中检测到UBIAD1 蛋白，线粒体抽提物中没有检测到UBIAD1 蛋白。斑马鱼中质谱同位素实验分析发现，UBIAD1 蛋白缺失突变的斑马鱼的辅酶Q10 含量明显降低，但体外补充辅酶Q10可以拯救缺失斑马鱼的表型。上述研究表明在高尔基体上定位的UBIAD1 蛋白具有非线粒体辅酶Q10 异戊烯转移酶活性。通过他汀类药物抑制甲羟戊酸途径降低UBIAD1 蛋白的底物香叶基香叶基焦磷酸，可以促使正常斑马鱼发生类似UBIAD1蛋白缺失的表型，进一步说明UBIAD1 蛋白可以利用香叶基香叶基焦磷酸合成辅酶Q10。辅酶Q10是唯一一种内源合成的脂溶性抗氧化剂。PEPE等［20］发现，辅酶Q10 在心血管系统中发挥重要的抗氧化作用。

研究者通过敲除内皮型一氧化氮合酶蛋白和利用内皮型一氧化氮合酶活性抑制剂精氨酸甲酯（LNAME）处理bar（ubiad1 基因在斑马鱼中的同源基因）基因突变的斑马鱼，发现突变体心血管的氧化压力及活性氧水平可被改善，这表明在心血管抑制内皮型一氧化氮合酶可以阻止因UBIAD1 蛋白在血管细胞中的表达下降导致的氧化损伤，这可能是因为缺乏UBIAD1 蛋白所生成的辅酶Q10 会导致内皮型一氧化氮合酶解耦，一氧化氮合成减少，导致血管细胞活性氧超载，发生脂质过氧化及铁死亡。由此可见，在心血管发育和内稳态过程中，UBIAD1 蛋白、辅酶Q10 和一氧化氮信号通路之间存在联系，即UBIAD1 蛋白在高尔基体中利用香叶基香叶基焦磷酸产生的辅酶Q10可作为内皮型一氧化氮合酶电子载体，将过多的氧气转化为一氧化氮，从而避免活性氧超载，防止细胞发生氧化损伤。

3 内质网中UBIAD1蛋白的生理作用

内质网中的UBIAD1蛋白可通过与3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶a 还原酶结合平衡脂质代谢。UBIAD1 蛋白定位于内质网时，甾醇可刺激其与内质网中的3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶a 还原酶结合，以避免3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶a还原酶受内质网相关降解影响，刺激甲羟戊酸合成以补充香叶基香叶基焦磷酸。法尼基焦磷酸和香叶基香叶基焦磷酸可共价连接许多细胞蛋白，是非甾醇类异戊二烯（如泛醌、血红素、多萜醇和MK-4）生产的中间体。非固醇类异戊二烯作为肿瘤细胞增殖、迁移和血管生成的重要调节因子，参与调节细胞增殖和迁移的信号转导途径，对于维持细胞活力至关重要。细胞必须不断产生非固醇类异戊二烯以保证细胞的最佳功能，但同时需要避免胆固醇或其他固醇前体的潜在毒性过度积累，引发不溶性晶体的形成，导致细胞死亡。这通过一个多价反馈系统来实现，反馈控制的一部分涉及3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶a 还原酶的内质网相关降解。UBIAD1 被认为是3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶a 还原酶内质网相关降解途径和类异戊二烯合成调节的核心参与者。人成纤维细胞中UBIAD1 的缺失会加速3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶a还原酶的内质网相关降解，导致胆固醇合成减少和细胞内积累。

共免疫沉淀研究［21］发现，甾醇刺激3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶a还原酶Insigs蛋白和UBIAD1蛋白形成多蛋白复合物。这种结合保护一部分3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶a 还原酶免受内质网相关降解，以合成有限量的甲羟戊酸。与甾醇分支中的酶相比，甲羟戊酸代谢的非甾醇分支中的酶的高底物亲和力促进该甲羟戊酸优先合成香叶基香叶基焦磷酸和其他非甾醇类异戊二烯［2］。一旦香叶基香叶基焦磷酸在内质网膜内积累到足够的水平， 就会与UBIAD1蛋白结合，从而引发3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶a 还原酶复合物解离。失去保护的3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶a还原酶会进行内质网相关降解，UBIAD1蛋白则从内质网进入高尔基体；当香叶基香叶基焦磷酸在细胞中耗竭后，UBIAD1 蛋白会从高尔基体逆行转运到内质网。YOUNGAH［4］认为这是因为UBIAD1 蛋白在高尔基体和内质网之间不断循环，使其能够不断监测嵌入内质网膜中的香叶基香叶基焦磷酸水平。在香叶基香叶基焦磷酸耗尽后，UBIAD1蛋白被隔离在内质网中，但确切的分子机制尚未明确［7］。施耐德结晶状角膜营养不良症相关突变体UBIAD1（N102S）并不会由于香叶基香叶基焦磷酸含量增加而离开内质网，反而继续在内质网与3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶a 还原酶结合，即施耐德结晶状角膜营养不良症相关的UBIAD 蛋白被隔离在内质网中，导致3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶a 还原酶的内质网相关降解被抑，从而促进胆固醇的合成和积累。随后的研究［22］表明，其他19 个与施耐德结晶状角膜营养不良症相关的UBIAD1 蛋白突变体同样阻断了3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶a还原酶的内质网相关降解。研究［23］认为，UBIAD1 蛋白介导的对3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶a还原酶的内质网相关降解的抑制可能是与施耐德结晶状角膜营养不良症相关的胆固醇积累的基础。UBIAD1 蛋白从内质网到高尔基体的转运可能具有重要的临床意义。这对于未来研究模拟香叶基香叶基焦磷酸触发UBIAD1 蛋白向高尔基体转运中的药物是否会加速3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶a 还原酶的内质网相关降解，并减轻伴随他汀类药物治疗所积累的3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶a 还原酶以及治疗施耐德结晶状角膜营养不良症角膜异常累积胆固醇提供了一个重要的研究方向。

综上所述，不同空间定位的UBIAD1 蛋白功能不同。在线粒体可合成维生素K2，维持线粒体结构和细胞内正常能量供应；在高尔基体合成抗氧化剂辅酶Q10，通过抗氧化及减少缺血再灌注引起的氧化应激和细胞凋亡以保护心血管；在内质网与3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶a 还原酶相互作用，通过抑制3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶a 还原酶的内质网相关降解调节细胞脂质代谢。但目前相关研究并不能明确UBIAD1 蛋白的亚细胞定位与疾病发生发展的关系，未来需要进一步深入研究。