泛素蛋白酶體系統(tǒng)調(diào)節(jié)肌肉降解的機(jī)理及相關(guān)信號途徑

朱宇旌 鐘 睿 張 勇

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)畜牧獸醫(yī)學(xué)院，沈陽 110866)

泛素蛋白酶體系統(tǒng)(ubiquitin-proteasome system，UPS)自2004年諾貝爾化學(xué)獎的獲得者阿龍·切哈諾沃、阿夫拉姆·赫什科和歐文·羅斯［1］于20世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)以來，已經(jīng)做了較為深入的研究。泛素蛋白酶體介導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)某些多余的或異常蛋白質(zhì)的降解，并參與一些重要蛋白質(zhì)翻譯后的修飾和改造，還參與離子通道、分泌的調(diào)控及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、細(xì)胞器的形成，同時(shí)兼有抗原提呈和調(diào)節(jié)細(xì)胞周期的作用，而且與許多人類的疾病有關(guān)，如腫瘤。泛素蛋白酶體通路細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及細(xì)胞生長調(diào)控是一個(gè)很重要的因素，并與許多生理及病理過程密切相關(guān)。

1 UPS組成及降解蛋白質(zhì)的過程

UPS由泛素(ubiquitin，Ub)、泛素活化酶(ubiquitin-activating enzyme，E1)、泛 素 結(jié) 合 酶(ubiquitin-conjugating enzyme，E2)、泛素連接酶(ubiquiitin-protein ligase，E3)和 26S 蛋白酶體［2］等組成。

UPS降解蛋白質(zhì)的過程如圖1所示，E1與Ub結(jié)合形成Ub-E1復(fù)合物［3］，該過程是耗能的過程。然后Ub-E1復(fù)合物與E2相互作用，E2取代E1形成Ub-E2復(fù)合物，E3與Ub-E2復(fù)合物共同作用，最后將泛素連在目標(biāo)蛋白上，這一過程不斷重復(fù)直到目標(biāo)蛋白與4～5個(gè)泛素分子連接為止，隨后進(jìn)入26S蛋白酶體中降解，結(jié)果降解為多肽和游離泛素。

在泛素化過程中最重要的是SCF型E3連接酶，因?yàn)樵撁缸鳛閁PS酶底物識別分子并能把活化的泛素轉(zhuǎn)移到酶作用物上。SCF型E3連接酶來源于3個(gè)核心亞基，這3種亞基為:著絲點(diǎn)蛋白抑制物1(suppressor of kinetochore protein mutant，Skp1)，卡林1(cullin 1，Cul1)，叉頭轉(zhuǎn)錄因子蛋白(forhead box protein，F(xiàn)OX)，SCF 即是取這 3 種亞基簡稱的首字母所得。SCF復(fù)合體有3種主要成分，分別為Skp1、Cul1和環(huán)盒蛋白1。FOX是包含在FOX區(qū)域內(nèi)的大約由50個(gè)氨基酸組成的蛋白質(zhì)，通常與SCF的Skp1和E3連接酶復(fù)合體相互作用參與蛋白質(zhì)的泛素化和降解，它們會被SCF復(fù)合體的特異酶底物識別，通過C端結(jié)合區(qū)域與酶底物相互作用，包括富亮氨酸重復(fù)序列，之后通過FOX區(qū)域和與之結(jié)合的Skp1相互作用把酶底物運(yùn)至SCF中心。有資料顯示，SCF酶底物在被FOX識別之前必須要磷酸化。富亮氨酸重復(fù)序列上有磷酸化位點(diǎn)，以便與目標(biāo)蛋白結(jié)合，使目標(biāo)蛋白進(jìn)入26S蛋白酶體。

圖1 泛素蛋白酶體系統(tǒng)降解蛋白質(zhì)的過程Fig.1 The process of degradation of protein in UPS［4］

2 UPS調(diào)控肌肉降解的機(jī)理

骨骼肌的生長速度最終取決于骨骼肌細(xì)胞的數(shù)量、肌肉蛋白質(zhì)合成和降解速度［5］。一般來說，UPS中有2種主要的標(biāo)記物被人們所認(rèn)知，它們是在骨骼肌中特異表達(dá)的泛素蛋白連接酶肌肉降解因子(muscle atrophy F-box，MAFbx或 atrogin-1)和肌肉環(huán)指蛋白1(muscle RING finger protein 1，MuRF-1)。MAFbx參與形成功能性連接酶復(fù)合體，MuRF-1結(jié)合位于肌聯(lián)蛋白激酶區(qū)域與肌聯(lián)蛋白C-末端(在M線上)之間的肌聯(lián)蛋白分子的保守區(qū)域。MAFbx和MuRF-1之間的相互作用會調(diào)節(jié)肌原纖維的代謝、營養(yǎng)狀態(tài)和維持整條M線的完整［6］。MAFbx會泛素化并降解肌分化蛋白和真核翻譯起始因子3，因此在抑制肌肉蛋白質(zhì)合成中起作用，而不是在肌肉上進(jìn)行蛋白質(zhì)水解的活化。MuRF-1也會泛素化并降解肌鈣蛋白1［7］和肌球蛋白重鏈［8］。一般情況下，MAFbx和 MuRF-1是降解骨骼肌的不同方式中普遍存在的酶［9］。根據(jù)對股外側(cè)肌活組織的研究結(jié)果表明，動物和人的肌肉降解程度是不同的，因?yàn)樵谌梭w中蛋白質(zhì)合成顯著較低，而蛋白質(zhì)水解作用又增強(qiáng)［10］。有研究表明，在倒立的情況下MuRF-1在比目魚肌(慢肌)上的含量增加，而不是在股外側(cè)肌(快肌)［11］。而且，MAFbx基因和卡西塔斯B細(xì)胞性淋巴瘤-b基因在20 d廢用的股外側(cè)肌中的表達(dá)量增加［12］，這就說明在不同的情況下快肌與慢肌的降解順序是不同的。大量研究表明，肌細(xì)胞類型是決定肉品質(zhì)的重要因素［13］，而UPS會在不同程度上調(diào)控肌細(xì)胞，也就影響了肉品質(zhì)。

近年來，另一種E3泛素連接酶被人們所認(rèn)知，它就是肌肉環(huán)指蛋白2(muscle RING finger protein 2，MuRF-2)。MuRF-2在胚胎時(shí)期廣泛存在，而在成年后其含量就相對減少。MuRF-2主要存在于細(xì)胞質(zhì)中，但也有部分MuRF-2與乳腺癌易感基因和p62蛋白相結(jié)合，存在于靠近M線的肌聯(lián)蛋白分子上［14］。普遍來說，這種蛋白質(zhì)最主要的功能之一就是固定微管群并作為肌纖生成過程中的肌節(jié)細(xì)胞骨架［7］。跟 MuRF-1一樣，MuRF-2也參與肌原纖維蛋白的泛素化［15］。在去神經(jīng)支配處理后會改變肌聯(lián)蛋白激酶的空間排布，從而喪失其主要功能。因此，去磷酸化的MuRF-2與肌聯(lián)蛋白分離，然后進(jìn)入細(xì)胞核中，把存在于細(xì)胞核中的血清效應(yīng)因子擠到細(xì)胞核外，在肌肉廢用情況下MuRF-2在細(xì)胞核中增殖。MuRF-2之所以會遷移到細(xì)胞核中是因?yàn)閺?fù)合信號可能會引起肌聯(lián)蛋白構(gòu)象的改變，從而引起肌聯(lián)蛋白激酶區(qū)域的改變，接著引起MuRF-2遷移到細(xì)胞核中，然后引起泛素化過程。近些年也有人通過研究認(rèn)為MuRF-1也可能會通過肌球蛋白輕鏈的調(diào)節(jié)而加劇磷酸化過程［16］。

3 與UPS作用相關(guān)的信號途徑

肌肉中蛋白質(zhì)的合成和降解是維持肌肉總量和功能的基礎(chǔ)［17］，絲氨酸/蘇氨酸激酶(serine/threonine kinase，AKT)、細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶(ex-tracellular signal-regulated kinase，ERK)、κB 激酶抑制劑(inhibitor of kappa-B kinase，IKKs)、核因子 -κB(nuclear factor-kappa B，NF-κB)均可以調(diào)節(jié)肌肉的降解，它們調(diào)控肌肉降解的方式如圖2所示。

圖2 參與肌肉降解的信號途徑網(wǎng)Fig.2 Signaling pathway network involved in muscle degradation［18］

3.1 AKT信號途徑

AKT是重要的降解肌肉的信號途徑之一，其還可以通過作用于哺乳動物雷帕霉素靶蛋白調(diào)節(jié)肌肉的合成［19］。磷脂酰肌醇-3激酶激活A(yù)KT，隨后AKT直接將FOX磷酸化，磷酸化的FOX又會通過S期激酶相關(guān)蛋白2(S-phase kinase-associated protein 2，Skp2)使自身泛素化，泛素化的FOX會作用于MAFbx，進(jìn)一步引發(fā)肌肉降解。同時(shí)，AKT還會通過抑制糖原合酶激酶-3β(glycogen synthase kinase-3β，GSK3β)而促進(jìn) β -連環(huán)蛋白的磷酸化，磷酸化的β-連環(huán)蛋白隨后泛素化，直至降解。AKT還會通過抑制GSK3β而促進(jìn)髓樣細(xì)胞白血病-1(myeloid cell leukemia-1，Mcl-1)基因的表達(dá)，Mcl-1再通過β-轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白重復(fù)包含蛋白(β-transducin repeats-containing proteins，β-TrCP)和FOX與WD重復(fù)序列7的相互作用，從而引起Mcl-1的泛素化，進(jìn)而降解。但泛素化后的β-連環(huán)蛋白和Mcl-1通過作用于肌肉上的哪些因子而引起肌肉的降解目前還不清楚。有資料顯示，F(xiàn)OXO3直接刺激MAFbx啟動子基因的表達(dá)，這會引起肌管和肌纖維的降解［20］。泛素化后的FOX會使4E結(jié)合蛋白活化，活化后的4E結(jié)合蛋白會抑制肌肉合成。

3.2 ERK信號途徑

ERK是另一種降解肌肉的重要途徑，但ERK是一組級聯(lián)信號途徑，Ras-Raf-MEK-ERK［21］便是這組級聯(lián)轉(zhuǎn)導(dǎo)信號，用以調(diào)控基因的表達(dá)，而且這一途徑中許多抑制因子已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，包括MEK和Raf抑制因子［22］。同 AKT一樣，ERK 也會引起FOX磷酸化，之后泛素化，接著作用于MAFbx，最后降解肌肉，但使FOX泛素化是在鼠雙微體2(murine double mimute 2，MDM2)作用下完成的。有資料顯示，ERK使FOXO3和FOXO1各自磷酸化［23］，還證實(shí)了 FOXO3 在蘇氨酸(Ser)294、Ser344和Ser455位點(diǎn)處進(jìn)行磷酸化，而這3處正是MDM2隨后調(diào)控泛素化的位點(diǎn)，調(diào)控后進(jìn)入蛋白酶體進(jìn)行降解［23］。這一機(jī)理還應(yīng)用于依賴AKT調(diào)控磷酸化的 FOXO1［24］。進(jìn)一步說來，MDM2降低FOXO4的單泛素化，這樣會促進(jìn)細(xì)胞核限制FOXO4，隨后細(xì)胞核通過Skp2進(jìn)行聚泛素化并降解。FOXO1、FOXO3、FOXO4是FOX家族中的成員。ERK也同AKT一樣會抑制GSK3β基因的表達(dá)并促進(jìn)β-連環(huán)蛋白和Mcl-1的磷酸化，并進(jìn)一步泛素化直至肌肉降解。

3.3 IKKs信號途徑

IKKs分為2種不同的活化NF-κB的途徑:規(guī)范途徑和不規(guī)范途徑。IKKβ在規(guī)范途徑中占主導(dǎo)地位而IKKα屬于不規(guī)范途徑［25］。在規(guī)范途徑中，IKKα、IKKβ、IKKγ組成一種激酶復(fù)合體，名為抑制性κ蛋白α，作為NF-κB的抑制蛋白因子，減少泛素化并隨后在蛋白酶體中降解。在不規(guī)范途徑中，IKKα形成一種同型二聚體并使p100蛋白磷酸化，隨后p100磷酸化區(qū)域激活p52，使p52活化。最近發(fā)現(xiàn)，磷酸化的IKKα?xí)种艶OXA2合成，受抑制的FOXA2會降低numb蛋白的合成，隨后活化Notch蛋白信號途徑［26］。FOXA2也屬于FOX家族。同AKT與ERK一樣，IKKβ也會使FOX磷酸化，但使FOX泛素化則是通過β-TrCP起的作用，其也會抑制GSK3β基因的表達(dá)并促進(jìn)β-連環(huán)蛋白和Mcl-1的磷酸化，并進(jìn)一步泛素化直至肌肉降解。而IKKα則是通過直接促進(jìn)β-連環(huán)蛋白的磷酸化隨之泛素化直至降解。此外，IKKα/β活化NF-κB后還會通過活化的 NF-κB調(diào)控Mcl-1，但這一過程的具體調(diào)控機(jī)制還不清楚。

3.4 NF-κB 信號途徑

有研究表明，NF-κB是多種不同的生理和病理狀態(tài)下與骨骼肌質(zhì)量減少相關(guān)性最高的信號途徑［27］。骨骼肌中 NF-κB的活化可以導(dǎo)致特定肌肉蛋白質(zhì)的降解，誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)和肌纖維變性。NF-κB 受腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor，TNFα)調(diào)節(jié)，TNFα通過特異轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制降低肌纖維細(xì)胞凋亡，該過程稱為減少類胰島素增長因子的同化過程［28］，通過在肌漿中的抑制性 κ蛋白(IκB)抑制 NF-κB 形成復(fù)合體。TNFα 刺激 IκB激酶，使IκB磷酸化之后誘導(dǎo)泛素化過程并降解蛋白質(zhì)，NF-κB隨后轉(zhuǎn)移到細(xì)胞核與DNA序列有意義鏈連接，調(diào)控 NF-κB依賴性基因的轉(zhuǎn)錄，TNFα通過在轉(zhuǎn)錄后的過程中調(diào)節(jié)肌分化蛋白來降低 NF-κB 的活化［39］。也就是說，促進(jìn) TNFα基因的表達(dá)就可以降低肌肉降解的速度。此外，TNFα等參與泛素蛋白酶體系統(tǒng)的激活，而且會使肌肉中泛素、MAFbx和E3基因表達(dá)明顯上調(diào)，這就說明TNFα可使UPS調(diào)控增強(qiáng)，也就是肌肉降解速度增強(qiáng)。NF-κB通過直接作用于MuRF-1而調(diào)控肌肉降解。NF-κB會降低 COP9信號復(fù)合體2基因的表達(dá)，并抑制GSK3β的活性，接下來的步驟同AKT、ERK及IKKs一樣促進(jìn)β-連環(huán)蛋白磷酸化，并進(jìn)一步泛素化直至肌肉降解。

4 小結(jié)

動物的肉品質(zhì)越來越受到人們的重視，改良肉品質(zhì)也是動物營養(yǎng)研究領(lǐng)域的一個(gè)永恒主題，UPS作為一種肌肉降解途徑，影響肉品質(zhì)。UPS與 AKT、ERK、IKKs、NF-κB 這 4 種信號途徑之間相互作用共同調(diào)控肌肉的降解，但是對于泛素化的Mcl-1和β-連環(huán)蛋白通過調(diào)控肌肉中的哪些因子而促進(jìn)肌肉降解還不是很清楚，而且這幾種信號途徑之間的調(diào)控機(jī)制還有很多未知的因子在起作用。目前對于UPS的研究還停留在人類與動物疾病和細(xì)胞凋亡方面，對于改良肉品質(zhì)這方面的研究甚少，相信隨著對UPS研究的不斷深入，會對提高動物生產(chǎn)效益提供極大的助力。

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