泛素-蛋白酶體系統(tǒng)和自噬之間的關(guān)系

孫小霞 姜 昕

上海中醫(yī)藥大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院病原生物教研室，上海201203

泛素-蛋白酶體系統(tǒng)和自噬之間的關(guān)系

孫小霞 姜 昕▲

上海中醫(yī)藥大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院病原生物教研室，上海201203

真核生物細(xì)胞內(nèi)有兩種主要的蛋白降解系統(tǒng)，泛素-蛋白酶體系統(tǒng)和自噬。最近的研究表明兩者之間存在多方面的聯(lián)系，抑制蛋白酶體的表達(dá)能夠誘導(dǎo)自噬，自噬能夠降解泛素化蛋白質(zhì)和錯(cuò)誤折疊的蛋白，抑制自噬能引起短期蛋白質(zhì)的聚集，干擾一個(gè)系統(tǒng)的功能會(huì)影響另一個(gè)系統(tǒng)功能的表達(dá)。本文概述兩者之間已知的關(guān)系。

泛素-蛋白酶體系統(tǒng)；自噬；蛋白酶體抑制劑

泛素-蛋白酶體系統(tǒng)（ubiquitin-proteasome system，UPS）和自噬系統(tǒng)是真核生物細(xì)胞內(nèi)兩種主要的蛋白降解途徑，也是保持細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)平衡的基礎(chǔ)。兩個(gè)系統(tǒng)共同維持細(xì)胞內(nèi)平衡，蛋白降解過程控制著細(xì)胞周期、信號(hào)傳導(dǎo)、DNA轉(zhuǎn)錄修復(fù)和翻譯和下調(diào)對(duì)機(jī)體有危害的調(diào)節(jié)因子，降解多余、功能失調(diào)和受損的細(xì)胞成分，循環(huán)利用資源和能量。兩種系統(tǒng)具有各自不同的運(yùn)行機(jī)制，近期的研究證明了兩者之間確實(shí)存在密切而廣泛的聯(lián)系存在，泛素是兩個(gè)系統(tǒng)共同的底物識(shí)別信號(hào)，起到連接兩個(gè)通路的作用。了解兩個(gè)系統(tǒng)之間的相互作用關(guān)系，能夠幫助更好的了解與蛋白降解相關(guān)疾病的起源和轉(zhuǎn)歸，有助于研究和臨床應(yīng)用。

1　一般生物學(xué)作用

1.1UPS的一般生物學(xué)作用

UPS是真核生物細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)降解的主要機(jī)制，蛋白酶體主要存在于細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞核中，是一個(gè)在進(jìn)化高度保守的桶裝結(jié)構(gòu)，特異性的降解泛素化蛋白質(zhì)，在維持蛋白質(zhì)穩(wěn)定調(diào)節(jié)分子功能方面起著重要作用。細(xì)胞內(nèi)普遍存在的蛋白酶體是26S蛋白酶體，26S蛋白酶體是30多種不同的亞基組成的2MDa的分子機(jī)構(gòu)，這種多亞基蛋白酶復(fù)合物對(duì)于細(xì)胞保持蛋白質(zhì)內(nèi)穩(wěn)態(tài)起到非常關(guān)鍵的作用。26S蛋白酶體是由一個(gè)核心的20S圓筒狀的蛋白水解關(guān)鍵復(fù)合物和兩個(gè)19S調(diào)節(jié)復(fù)合物組成，還有一種11S調(diào)節(jié)復(fù)合物也可以結(jié)合到26S蛋白酶體參與另一種方式的蛋白質(zhì)降解。UPS降解蛋白質(zhì)包括兩種主要途徑，依賴ATP的26S蛋白酶體降解泛素化底物主要負(fù)責(zé)降解大部分的調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)，和不依賴ATP的20S蛋白酶體催化降解途徑，負(fù)責(zé)降解氧化蛋白質(zhì)。26S蛋白酶體降解蛋白質(zhì)的泛素化過程需要依賴ATP的水解提供能量及三種酶促反應(yīng)，通過泛素C端甘氨酸和目標(biāo)蛋白賴氨酸的連接實(shí)現(xiàn)泛素分子與蛋白質(zhì)的結(jié)合，泛素活化酶（E1）激活泛素后轉(zhuǎn)移到泛素結(jié)合酶（E2）上，最后通過泛素連接酶（E3）識(shí)別檢驗(yàn)E2轉(zhuǎn)移一部分泛素到目標(biāo)蛋白質(zhì)基質(zhì)上[1]。蛋白酶體的結(jié)構(gòu)決定其優(yōu)先降解未折疊蛋白，UPS降解錯(cuò)誤折疊、氧化和受損蛋白質(zhì)，調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)參與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞周期調(diào)控、細(xì)胞凋亡和基因轉(zhuǎn)錄等過程。

1.2自噬的一般生物學(xué)作用

與UPS相比自噬局限于細(xì)胞質(zhì)，主要降解長(zhǎng)壽命和大分子蛋白質(zhì)。自噬是細(xì)胞內(nèi)將待降解物質(zhì)運(yùn)送至溶酶體降解的過程，根據(jù)生理功能和運(yùn)輸途徑的不同分為三種類型，巨自噬、微自噬和分子伴侶介導(dǎo)的自噬。巨自噬是細(xì)胞內(nèi)異常的細(xì)胞器和蛋白質(zhì)被雙層膜結(jié)構(gòu)隔離形成自噬體，隨后被自噬溶酶體降解，微自噬則是溶酶體膜直接吞噬細(xì)胞質(zhì)，而分子伴侶介導(dǎo)的自噬只能降解特定的能夠被識(shí)別和結(jié)合的蛋白質(zhì)。自噬作為一種適應(yīng)性代謝分解過程被激活，在維持各種自由氨基、脂肪酸和有機(jī)物的循環(huán)利用保持細(xì)胞內(nèi)平衡中起到重要作用，是維持細(xì)胞內(nèi)部自穩(wěn)的重要機(jī)制。自噬能夠消除有缺陷的蛋白質(zhì)和細(xì)胞器，防止非正常細(xì)胞聚集成團(tuán)，移除胞內(nèi)病原體[2]。自噬是細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)和細(xì)胞器降解的主要通路，與人類疾病的發(fā)生密切相關(guān)。病原體入侵機(jī)體的第一道防御是固有免疫的吞噬作用，而自噬作為機(jī)體免疫系統(tǒng)的另一種防御機(jī)制，與吞噬作用共同參與維護(hù)細(xì)胞的正常功能，機(jī)體的固有免疫能通過自噬通路抵御細(xì)菌和病毒入侵。自噬是維持人體健康非常重要的機(jī)制，自噬功能障礙與癌癥、神經(jīng)退行性疾病、微生物感染和衰老都有關(guān)[3]。

2　兩個(gè)系統(tǒng)之間的聯(lián)系

2.1泛素化連接兩個(gè)系統(tǒng)

自噬和UPS作為細(xì)胞內(nèi)蛋白降解的兩種主要途徑，以前的觀點(diǎn)認(rèn)為兩者是獨(dú)立運(yùn)行的。而單泛素化被觀察到是包括溶酶體在內(nèi)的生物轉(zhuǎn)化過程中內(nèi)吞作用的關(guān)鍵信號(hào)，為兩個(gè)系統(tǒng)相互作用關(guān)系的猜想提供了最早的依據(jù)[4]。短壽命蛋白多數(shù)被UPS降解，在某些情況下也能夠被自噬選擇性降解，而大部分為自噬所降解的長(zhǎng)壽命蛋白同樣能夠被UPS降解。錯(cuò)誤折疊蛋白被UPS降解是早已有的定論，泛素化后能夠直接被26S蛋白酶體降解[5]。自噬對(duì)錯(cuò)誤折疊蛋白的降解受Bcl-2相關(guān)抗凋亡基因（Bcl-2 associated athanogene，BAG）BAG1和BAG3相關(guān)水平的調(diào)控，高水平的BAG1和BAG3刺激自噬的發(fā)生和P62的形成。作為自噬底物的P62，能形成低聚物通過泛素連接域募集泛素化蛋白質(zhì)，同時(shí)通過同微管相關(guān)蛋白輕鏈1（microtubule-associated protein 1 light，LC3）相互作用形成自噬體降解底物。中樞神經(jīng)系統(tǒng)條件性敲除自噬相關(guān)基因（autophagy related gene，Atg）Atg5或Atg7的小鼠模型，顯示泛素陽性蛋白病理性積累致神經(jīng)退行性疾病，這表明一些泛素標(biāo)記的蛋白亦能被自噬系統(tǒng)所降解[6]。多聚泛素和錯(cuò)誤折疊蛋白能夠從細(xì)胞中通過自噬的被特異性清除，而泛素活化酶E1的失活也會(huì)導(dǎo)致自噬功能的缺陷和溶酶體中泛素陽性蛋白質(zhì)的缺失。自噬通過單泛素化將長(zhǎng)壽命的細(xì)胞質(zhì)底物降解，泛素亦是分子伴侶介導(dǎo)自噬的底物之一[7]。

組 蛋 白脫 乙 酰 激 酶（Histone deacetylase 6，HDAC6）是另一種連接兩個(gè)系統(tǒng)的因素，HDAC6通過一種高度保守的泛素連接域同聚泛素化蛋白質(zhì)相互作用，同時(shí)與肌動(dòng)蛋白相互作用，說明HDAC6為泛素化物質(zhì)及其運(yùn)輸機(jī)制提供一種物理連接[8]。體外實(shí)驗(yàn)中HDAC6表現(xiàn)出對(duì)泛素化蛋白質(zhì)和溶酶體的轉(zhuǎn)運(yùn)作用，提示HDAC6協(xié)調(diào)自噬底物的運(yùn)輸機(jī)制。

2.2UPS對(duì)自噬的影響

蛋白酶體功能被抑制時(shí)自噬水平的補(bǔ)償性升高的現(xiàn)象支持兩個(gè)系統(tǒng)之間存在相互作用關(guān)系的觀點(diǎn)。一般認(rèn)為自噬能夠降低蛋白酶體系統(tǒng)底物堆積的壓力，實(shí)驗(yàn)表明誘導(dǎo)自噬能夠保護(hù)因基因缺陷所致蛋白酶體失活的果蠅[9]。癌癥治療當(dāng)中的兩個(gè)應(yīng)用途徑最廣泛的機(jī)制自噬和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，都能夠通過蛋白酶體功能的抑制來實(shí)現(xiàn)激活。蛋白酶體也是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)蛋白降解（ER-associated degradation，ERAD）系統(tǒng)的組成部分，蛋白酶體抑制劑能通過損害內(nèi)質(zhì)網(wǎng)功能增加細(xì)胞凋亡[10]。蛋白酶體功能表達(dá)受損引起錯(cuò)誤折疊蛋白的積累，誘導(dǎo)未折疊蛋白應(yīng)答，轉(zhuǎn)錄激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)與降解錯(cuò)誤折疊蛋白有關(guān)的基因，未折疊蛋白應(yīng)答則能夠同時(shí)誘導(dǎo)自噬的發(fā)生。抑制P56能夠?qū)е伦允晒δ艿乃ネ撕偷鞍拙奂?，多巴胺神?jīng)元細(xì)胞經(jīng)蛋白酶體抑制劑作用后，通過P56的增加能夠誘導(dǎo)自噬水平的升高[11]。蛋白酶體抑制劑代償性誘導(dǎo)自噬同樣被證明與HDAC6有關(guān)，HDAC6與自噬的轉(zhuǎn)移機(jī)制相關(guān)，通過有效的運(yùn)輸自噬底物可以提高自噬對(duì)底物降解的效率[12]。自噬和蛋白酶系統(tǒng)通過協(xié)調(diào)蛋白質(zhì)的合成和降解保持細(xì)胞健康的自我更新狀態(tài)，一旦體內(nèi)蛋白質(zhì)平衡被打破則會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)退行性疾病和癌癥等疾病[13]。而蛋白酶體抑制劑作誘導(dǎo)自噬在抗腫瘤藥物的研究中已經(jīng)得到應(yīng)用，自噬對(duì)細(xì)胞有雙重調(diào)節(jié)作用，在針對(duì)人類致瘤性細(xì)胞狀態(tài)時(shí)由蛋白酶體抑制劑誘導(dǎo)表達(dá)出促細(xì)胞生存作用[14]。蛋白酶體抑制劑通過誘導(dǎo)代償性蛋白降解機(jī)制即自噬以及其他的促存活信號(hào)通路，能夠抑制癌癥細(xì)胞的增殖。人的乳腺癌細(xì)胞株MDA-MB-231經(jīng)蛋白酶抑制劑MG132治療后呈劑量和時(shí)間依賴性誘導(dǎo)自噬標(biāo)志物L(fēng)C3-II[15]，通過促自噬來保護(hù)細(xì)胞。黑色素瘤細(xì)胞經(jīng)硼替佐米治療后激活細(xì)胞調(diào)亡和自噬通路[16]。硼替佐米在頭頸部鱗狀細(xì)胞癌中通過激活（氨基端激酶）JNK誘導(dǎo)自噬[17]。

2.3自噬對(duì)UPS的影響

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭凶允苫蛉毕菀鸬姆核鼗鞍踪|(zhì)積累，說明自噬能夠降解泛素化蛋白質(zhì)。自噬被抑制引起自噬底物P62的積累，而過量的P62會(huì)導(dǎo)致泛素化底物運(yùn)往蛋白酶體過程受阻[18]，而特異性提高正常細(xì)胞的P62水平，則能夠造成UPS功能的損傷。抑制自噬-溶酶體系統(tǒng)的功能，同樣會(huì)引起蛋白酶體功能表達(dá)受阻，使蛋白酶體活性下降。P62是一系列信號(hào)通路重要的銜接蛋白，在自噬降解泛素化底物過程中和相互作用的乳腺癌1號(hào)相鄰基因（Neighbor of BRCA1 gene 1，NBR1）一起擔(dān)任運(yùn)貨受體[19]。P62聚集能夠延遲并減少待降解底物被運(yùn)往26S蛋白酶體[20]，研究表明P62包含有LC3的識(shí)別序列，發(fā)生突變時(shí)會(huì)引起泛素和P63陽性包含體形成，由此推測(cè)P62在促進(jìn)自噬降解泛素化蛋白質(zhì)過程中起到了連接自噬與UPS的重要作用。在一定情況下上調(diào)自噬的表達(dá)也會(huì)損害UPS的功能功能，在體外實(shí)驗(yàn)當(dāng)中利用雷帕霉素誘導(dǎo)自噬能夠減弱蛋白酶體抑制劑誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡和泛素化蛋白質(zhì)的積累[21]，自噬增強(qiáng)劑海藻糖能夠恢復(fù)由蛋白酶體抑制劑造成的神經(jīng)毒性蛋白質(zhì)的積累[22]。蛋白降解系統(tǒng)功能缺失能使蛋白質(zhì)的病理性堆積，引發(fā)如神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生。誘導(dǎo)自噬則能夠抵消蛋白酶體功能受阻導(dǎo)致的多聚泛素蛋白質(zhì)的積累，但自噬減輕由UPS功能損傷引起的神經(jīng)毒性機(jī)制目前尚不清楚。

3　展望

越來越多的研究結(jié)果表明泛素-蛋白酶體系統(tǒng)和自噬-溶酶體系統(tǒng)存在相互作用的關(guān)系。更進(jìn)一步了解兩者之間的作用機(jī)制能夠幫助我們更好的研究和治療自噬相關(guān)疾病，有助于提高蛋白酶體抑制劑在腫瘤研究中的開發(fā)應(yīng)用以及其他蛋白酶體相關(guān)藥物在更多領(lǐng)域的應(yīng)用，為我們研究更多疾病的發(fā)病機(jī)制提供思路。同時(shí)，UPS和自噬之間的相互作用關(guān)系的研究也存在很多需要我們解決的問題，如自噬是否清除蛋白酶體，以及自噬清除泛素化底物的具體機(jī)制。相信在不久的未來越來越多的科研工作者能夠給我們帶來更新的進(jìn)展，也為臨床研究提供更廣泛的數(shù)據(jù)。

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The relationship of the ubiquitin–proteasome system and the autophagy

SUN Xiaoxia JIANG Xin
Deparment of Pathogen Biology Teaching and Research Section, Basic Medical College of Shanghai University of Traditional Chinese Medicine, Shanghai 201203, China

The ubiquitin–proteasome system (UPS) and the autophagy-lysosome system are two major protein quality control mechanisms in eukaryotic cells. Recent studies have revealed interaction between the UPS and autophagy, blockade of UPS by proteasome inhibitors has been shown to activate autophagy. Suggesting a coordinated between these degradation systems. Autophagy can degrade ubiquitinated proteins and misfolded proteins, inhibition of autophagy can cause short-term protein aggregation, interference of a function of the system will affect the expression of other system functions. This study we describe the system-wide crosstalk between these two cellular protein degradation systems.

Ubiquitin–proteasome system; Autophagy; Proteasome inhibitor

Q26

A

2095-0616（2015）09-42-04

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（2015-01-11）