泛素折疊修飾因子1作用的研究進展

沈瓊娜(綜述)，胡小磊，陳鳳玲※(審校)

(1.蚌埠醫(yī)學(xué)院，安徽 蚌埠 233000； 2.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第三人民醫(yī)院內(nèi)分泌科，上海 201900)

泛素折疊修飾因子1(ubiquitin fold modifier 1，Ufm1)是由Komatsu等于2004年首先在HEK293細胞中發(fā)現(xiàn)的一種小分子類泛素蛋白，其分子質(zhì)量為9.1×103[1]。Ufm1及其修飾系統(tǒng)廣泛地、保守地存在于動、植物中，如小鼠的腦、心、肺、腎、肝、腹腔固有巨噬細胞等組織[2]。Ufm1以前體形式存在，需經(jīng)特異性蛋白酶進行加工處理，再經(jīng)過一系列酶級聯(lián)反應(yīng)，才能與靶蛋白結(jié)合，發(fā)揮生物學(xué)作用。

1 Ufm1的結(jié)構(gòu)

Ufm1是一類小分子類泛素蛋白，由85個氨基酸組成。Ufm1和泛素及其他類泛素蛋白的氨基酸序列比較，其C端有一個絲-甘氨酸二肽結(jié)構(gòu)，而泛素及其他類泛素蛋白在C端有一個保守的雙甘氨酸序列[1，3]。正因為其C端區(qū)域的不同導(dǎo)致了空間構(gòu)向的多變性，提示Ufm1可能發(fā)揮多樣的生物學(xué)作用。

Ufm1及其修飾系統(tǒng)在動植物體內(nèi)表達豐富，尤其在分泌蛋白的細胞中表達豐富，如胰腺腺泡、胰島的朗格漢斯細胞和唾液腺等，其主要分布在細胞質(zhì)和細胞核[2]。

2 Ufm1的修飾系統(tǒng)

2.1Ufm1特異性蛋白酶 Ufm1以前體形式廣泛存在于鼠和人的組織中，其氨基酸序列的C端有一個絲-甘氨酸二肽形式，絲氨酸需經(jīng)過特異性蛋白酶進行加工處理暴露出甘氨酸殘基，才能與靶蛋白結(jié)合并對其進行修飾，發(fā)揮生物學(xué)功能[3]。Ufm1特異性蛋白酶1和Ufm1特異性蛋白酶2是目前發(fā)現(xiàn)Ufm1的兩個特異性剪切酶，可以對Ufm1 C端進行加工處理，暴露出甘氨酸殘基，但不能加工處理泛素和其他類泛素蛋白，比如小泛素樣修飾蛋白1和干擾素刺激基因15[3-6]。說明它們對Ufm1加工處理具有特異性，對研究Ufm1的功能具有重要的作用。

2.2Ufm1酶級聯(lián)反應(yīng) Ufm1作為一種新的類泛素蛋白修飾因子，有以下幾個依據(jù)：①與泛素三級結(jié)構(gòu)類似，分子質(zhì)量較?。虎赨fm1是由前體進過加工處理形成；③C端的剪切和甘氨酸的暴露對Ufm1和靶蛋白結(jié)合是必需的；④Ufm1有激活酶、結(jié)合酶。類泛素蛋白在結(jié)構(gòu)和蛋白結(jié)合途徑上與泛素十分相似。泛素和靶蛋白結(jié)合，并將靶蛋白轉(zhuǎn)移給溶酶體，使其降解，這一泛素介導(dǎo)的溶酶體蛋白降解途徑廣泛地存在于生物體中。但是,類泛素蛋白和靶蛋白結(jié)合后并不介導(dǎo)其通過溶酶體進行降解，而是對靶蛋白進行加工、修飾，使其發(fā)揮重要的生物學(xué)作用，這與泛素是不同的[4]。

Ufm1結(jié)合到靶蛋白也需要通過一系列的酶級聯(lián)反應(yīng)，這和泛素及其他類泛素蛋白激活和結(jié)合靶蛋白的過程是類似的[1，7]。首先Ufm1是以前體形式存在于組織中，需經(jīng)特異性蛋白酶進行加工處理，才能和靶蛋白結(jié)合。處理過的Ufm1首先被Uba5激活，然后轉(zhuǎn)移給Ufc1，再被轉(zhuǎn)移給Ufl1，Ufl1可識別靶蛋白并幫助Ufm1與靶蛋白結(jié)合，最后Ufm1對其進行加工修飾，使其發(fā)揮重要的生物學(xué)功能[1，3，8-9]。目前發(fā)現(xiàn)的靶蛋白有C20orf116[9]、CDK5RAP3/LZAP[2]、X盒結(jié)合蛋白1(X-box binding protein 1,Xbp1)[10]、微粒體三酰甘油轉(zhuǎn)運蛋白[11]，但其生物學(xué)功能大多是未知的，有待進一步深入探索。

3 Ufm1的作用

3.1內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)主要負責蛋白質(zhì)折疊、加工、轉(zhuǎn)運和鈣調(diào)節(jié)等，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的平衡對正常細胞功能是十分重要的，這種平衡被打破會引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和未折疊蛋白反應(yīng)，產(chǎn)生多種功能變化[12-13]。

Azfer等[15]在患有缺血性心臟病的轉(zhuǎn)基因小鼠的心臟組織中發(fā)現(xiàn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)基因被激活，例如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)氧化還原酶1、葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78、葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白94、C/EBP同源蛋白、活化轉(zhuǎn)錄因子6等。同時發(fā)現(xiàn)在小鼠的心臟組織中Ufm1的表達量顯著上調(diào)，提示內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激與Ufm1之間可能存在某種關(guān)聯(lián)性。

近年來的研究也發(fā)現(xiàn)，在INS-IE細胞中，用內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激化學(xué)誘導(dǎo)劑環(huán)匹阿尼酸或毒胡蘿卜素誘導(dǎo)細胞產(chǎn)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的同時，Ufm1及Ufl1表達量顯著上調(diào)；而經(jīng)非內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)劑環(huán)已酰胺和過氧化氫處理使Ufm1和Ufl1的表達水平?jīng)]有受到影響[2]。此研究說明內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激參與了Ufm1表達水平的調(diào)控。在另外兩種腫瘤細胞(HepG2和HCT116)中也有同樣的發(fā)現(xiàn)，在給予毒胡蘿卜素或衣霉素誘導(dǎo)細胞產(chǎn)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激后，Ufm1的表達水平增加；在囊泡轉(zhuǎn)運被抑制時，Ufm1修飾系統(tǒng)轉(zhuǎn)錄水平表達也增加；但是在U2OS細胞中沉默Ufm1增強了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)[10]。上述的研究都證明了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激可增加Ufm1的表達，同時Ufm1又可維持內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的平衡，因此可確定Ufm1修飾系統(tǒng)和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)之間存在重要的聯(lián)系。研究發(fā)現(xiàn),在糖尿病模型鼠db/db小鼠腹腔固有巨噬細胞中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)分子葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78、C/EBP同源蛋白、Xbp1表達水平顯著高于對照組，同時Ufm1表達水平也顯著升高[16]。經(jīng)毒胡蘿卜素或衣霉素誘導(dǎo)小鼠單核巨噬細胞系Raw264.7細胞產(chǎn)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激時Ufm1的表達量也顯著增加[16]。上述研究提示,Ufm1可能部分通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激途徑影響巨噬細胞功能，從而參與疾病的發(fā)生、發(fā)展。

3.2細胞生物學(xué)作用 在INS-IE細胞中沉默Ufm1后，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的標志物葡萄糖調(diào)節(jié)蛋白78、C/EBP同源蛋白、Xbp1的表達水平?jīng)]有受到顯著影響，其凋亡也沒有受到影響；但在INS-IE細胞中沉默Ufm1后，再用內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)劑如環(huán)匹阿尼酸、棕櫚酸酯、布雷菲爾德菌素A誘導(dǎo)細胞產(chǎn)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，發(fā)現(xiàn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)的凋亡顯著增加；而對放線菌酮和過氧化氫引起的非內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)的凋亡沒有影響[2]。同時發(fā)現(xiàn)在沉默Ufm1的細胞中，胱天蛋白酶3的活性增強[2]。這些結(jié)果證明了Ufm1緩解了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)的胰島β細胞的凋亡，并對胰島β細胞產(chǎn)生保護作用。

另有研究發(fā)現(xiàn)，毒胡蘿卜素或衣霉素可誘導(dǎo)過表達Ufm1的巨噬細胞產(chǎn)生內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，使巨噬細胞發(fā)生凋亡，與對照組相比過表達Ufm1的巨噬細胞由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)的凋亡顯著減輕，這也表明Ufm1緩解了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激引起的巨噬細胞的凋亡[17]。因此,可以確定Ufm1與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激存在聯(lián)系，并在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)的凋亡中發(fā)揮重要的作用。

近期有研究證實，Ufm1與細胞周期之間存在重要聯(lián)系。在Ufm1敲除的利什曼原蟲，用細胞周期分析發(fā)現(xiàn)細胞從G2～M到G1期發(fā)生阻滯，使細胞主要停留在G2～M期，利什曼原蟲在體外和寄生于人巨噬細胞中的存活減少。重新表達UFM1及其修飾系統(tǒng)后，利什曼原蟲的存活增加[11，18]。提示,Ufm1及其修飾系統(tǒng)在利什曼原蟲的存活和細胞周期等過程中發(fā)揮重要作用。

Uba5是新證明的Ufm1特異性激活酶。有研究發(fā)現(xiàn)在小鼠中敲除Uba5基因后，小鼠出現(xiàn)嚴重的貧血，隨即在胚胎中死亡。用轉(zhuǎn)基因的方法在小鼠中重新表達Uba5后，嚴重的貧血被恢復(fù)，并延長了小鼠的存活時間[19]。該研究證明,Ufm1特異性激活酶Uba5在紅細胞發(fā)育過程中發(fā)揮重要的作用，缺少該基因會使正常骨髓來源的巨核細胞系和紅細胞系前體細胞的發(fā)育受損。這證實了Ufm1修飾系統(tǒng)參與了造血系統(tǒng)的調(diào)控，參與調(diào)控紅細胞發(fā)育和促存活等生物學(xué)過程。

3.3其他作用 Gannavaram等[18]在利什曼原蟲中發(fā)現(xiàn),Ufm1及其修飾系統(tǒng)的存在，并用免疫共沉淀技術(shù)證明Ufm1和微粒體三酰甘油轉(zhuǎn)運蛋白結(jié)合，催化脂肪酸β氧化。在Ufm1敲除的利什曼原蟲中，微粒體三酰甘油轉(zhuǎn)運蛋白不能與Ufm1結(jié)合，導(dǎo)致脂肪酸β氧化降低其產(chǎn)物乙酰輔酶A減少。重新表達Ufm1及其修飾系統(tǒng)后，脂肪酸β氧化被恢復(fù)。由此可以證明Ufm1及其修飾系統(tǒng)在脂肪酸β氧化中發(fā)揮重要作用。

既往有研究發(fā)現(xiàn)，冬眠是一種天然的缺氧耐受模型，在松鼠的冬眠過程中有大量的類泛素樣蛋白修飾過程發(fā)生。在冬眠松鼠的腦部組織中Ufm1表達量顯著增加[20]。提示類泛素蛋白包括Ufm1在應(yīng)激反應(yīng)中特別是在缺氧耐受過程中發(fā)揮多種重要功能，為研究其在缺氧耐受中的作用提供依據(jù)。

利用在線工具cisRED分析得出，Ufm1的啟動子包括很多順式作用元件，是E2F-1、AP-2、HIF-1等轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合位點[21]。Ufm1基因序列中包括了Xbp-1的結(jié)合位點，Xbp-1是未折疊蛋白反應(yīng)中重要的轉(zhuǎn)錄因子[22]。在最近的研究中，利用熒光素酶報告分析、CHIP分析和基因沉默的方法證實了Ufm1是Xbp-1重要的生物學(xué)靶點，同時證實Ufm1修飾系統(tǒng)在未折疊蛋白反應(yīng)中發(fā)揮重要影響[10]。

4 結(jié) 語

Ufm1是一種小分子類泛素蛋白，其與泛素三級結(jié)構(gòu)十分類似，但生物學(xué)作用卻不相同。Ufm1及其修飾系統(tǒng)在多細胞生物體內(nèi)穩(wěn)定表達，含量豐富，提示其在生物體內(nèi)的重要作用。Ufm1及其修飾系統(tǒng)參與了多種病理生理過程，例如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，并對內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)的凋亡起到保護和緩解作用，同時也參與了細胞周期、細胞存活、缺氧耐受、脂肪酸β氧化等生物過程，但具體機制尚未知曉，有待于進一步研究探索。

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