USP15生物學(xué)功能的研究進(jìn)展

謝 敏，李萬穎，洪曉玲，王淑華，張松靈

(吉林大學(xué)第一醫(yī)院腫瘤婦科，長(zhǎng)春 130021)

泛素是一種在真核生物中高度保守含有76個(gè)殘基的多肽,通過一系列酶促反應(yīng)，其活化的C端可與目的蛋白的賴氨酸ε-氨基結(jié)合使其泛素化，也可與另一個(gè)泛素的N端α-氨基綴合，形成多聚泛素鏈[1]。蛋白質(zhì)泛素化修飾是介導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)選擇性降解的主要路徑，參與蛋白質(zhì)降解的調(diào)節(jié)、細(xì)胞周期調(diào)控、激酶活化及細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等重要細(xì)胞內(nèi)代謝途徑，其主要通過泛素單體或泛素鏈共價(jià)修飾目標(biāo)蛋白發(fā)揮作用，是使蛋白質(zhì)更為有序、多樣的修飾方法[2]。另外，泛素化修飾是可逆反應(yīng)，其泛素鏈可被泛素特異性蛋白酶剪切，稱為去泛素化，而參與其中的特異性蛋白酶統(tǒng)稱為去泛素化酶(deubiquitinases,DUBs)。DUBs對(duì)底物和泛素鏈均具有特異性，使其對(duì)目標(biāo)蛋白的調(diào)控更為有序、精確。目前已發(fā)現(xiàn)約100個(gè)DUBs，可分為6種:泛素C端水解酶家族、卵巢腫瘤相關(guān)蛋白酶家族、泛素特異性蛋白酶(ubiquitin-specific protease，USP)家族、Josephin結(jié)構(gòu)域蛋白家族、JAB1/MPN/Mov34蛋白酶家族以及最近新發(fā)現(xiàn)的單細(xì)胞趨化蛋白誘導(dǎo)蛋白家族[3-4]。其中，最具代表性的為USP家族，而USP15是USP家族的重要一員。USP15具有多種生物學(xué)功能，現(xiàn)對(duì)其基因定位、結(jié)構(gòu)、細(xì)胞內(nèi)功能、免疫功能、病毒、腫瘤的發(fā)生發(fā)展等方面的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 USP15基因定位及結(jié)構(gòu)

人類USP15基因定位于染色體12q14區(qū)帶，其蛋白質(zhì)分子由952個(gè)氨基酸組成，分子量約為109 200，由催化區(qū)域及非催化區(qū)域構(gòu)成，催化區(qū)域含有一個(gè)保守半胱氨酸盒和一個(gè)組氨酸盒，參與構(gòu)成USP15的部分活性位點(diǎn)，非催化區(qū)域由多個(gè)功能子域組成，包括具有特異性結(jié)合底物蛋白的泛素特異性蛋白酶域和泛素樣域[5]。人類USP15包含一個(gè)N端泛素特異性蛋白酶域-泛素樣域以及一個(gè)嵌入在催化域中的泛素樣域，USP15、USP11、USP4這3種蛋白因其N端都具有泛素特異性蛋白酶及泛素樣結(jié)構(gòu)域而被分為一個(gè)亞組(泛素特異性蛋白酶域-泛素樣域亞組)，其中，USP4與USP15的結(jié)構(gòu)域同源性高達(dá)76%，而USP15與USP11結(jié)構(gòu)域同源性只有39%[6-8]。

2 USP15的細(xì)胞內(nèi)功能

2.1USP15能夠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄活性 在真核細(xì)胞中，組蛋白的翻譯后修飾可以調(diào)控染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)及功能，組蛋白H2B單泛素化(ubiquitination of histone H2B，UbH2B)是組蛋白尾中一種保守修飾，其與轉(zhuǎn)錄、復(fù)制及DNA修復(fù)有關(guān)。Long等[9]研究發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)錄過程中，UbH2B的E3連接酶RNF20/RNF40復(fù)合體與RNA聚合酶相關(guān)因子復(fù)合物結(jié)合，RNA聚合酶相關(guān)因子復(fù)合物直接與RNA聚合酶Ⅱ結(jié)合，催化H2B泛素化并刺激轉(zhuǎn)錄延伸。UbH2B可以通過間接或直接作用參與新生鏈的剪接，在這個(gè)過程中，UbH2B從核糖體中游離，使RNA聚合酶Ⅱ能夠繼續(xù)識(shí)別DNA模板。而USP15能與游離的非核糖體UbH2B結(jié)合，使其去泛素化重新裝配于RNA聚合酶Ⅱ延伸后的核糖體上[9]。另外，F(xiàn)ukagai等[10]的研究發(fā)現(xiàn)USP15可以參與調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子NF-E2相關(guān)因子1(NF-E2-related factor 1,Nrf1)的表達(dá)。在生理?xiàng)l件下，Nrf1通過調(diào)節(jié)蛋白酶體基因的表達(dá)來維持蛋白質(zhì)的穩(wěn)態(tài)，其轉(zhuǎn)錄活性受到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的隔離以及兩個(gè)獨(dú)立的泛素-蛋白酶體通路的抑制，兩個(gè)通路包括位于細(xì)胞質(zhì)中的泛素連接酶Hrd1(hydroxym-ethylglutary reductase degradation 1)和細(xì)胞核中的泛素連接酶β-TrCP(β-transducin repeat containing protein)。研究結(jié)果表明，USP15可通過去泛素化作用穩(wěn)定并激活細(xì)胞核中的Nrf1，且USP15的敲低可減少Nrf1誘導(dǎo)的蛋白酶體的表達(dá)，這些結(jié)果均提示USP15可通過激活Nrf1的表達(dá)，從而在轉(zhuǎn)錄水平上參與維持蛋白質(zhì)的穩(wěn)態(tài)[10]。因此，USP15在真核生物的轉(zhuǎn)錄過程中發(fā)揮重要作用。

2.2USP15維持基因穩(wěn)定性 在真核生物的有絲分裂過程中，染色質(zhì)的復(fù)制與分離需要精確而復(fù)雜的調(diào)控，其中拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ是不可或缺的一部分。拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ在有絲分裂的G2期累積，并在前期作用于相互交織的姐妹染色單體，確保其在后期可以精確地平分到子代細(xì)胞中。研究發(fā)現(xiàn)，拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ的積累需要USP15，且USP15的消耗可以導(dǎo)致后期染色體橋的形成，并在有絲分裂出口處形成微核，阻礙姐妹染色單體分離，導(dǎo)致基因的不穩(wěn)定性[11]。

2.3USP15參與細(xì)胞周期過程 沉默轉(zhuǎn)錄因子RE-1也被稱為神經(jīng)元限制性沉默因子，是一種重要的生理性抑制性轉(zhuǎn)錄因子，在神經(jīng)元分化和細(xì)胞周期進(jìn)程中迅速磷酸化、泛素化和降解。Faronato等[12]研究發(fā)現(xiàn)，USP15可調(diào)節(jié)沉默轉(zhuǎn)錄因子RE-1的穩(wěn)定性，沉默轉(zhuǎn)錄因子RE-1在有絲分裂后急劇降解，然后在G1早期以依賴USP15的方式快速補(bǔ)充。此外，研究還觀察到USP15的表達(dá)與細(xì)胞周期相關(guān)，有絲分裂開始時(shí)USP15大量增加并磷酸化，與REST降解一致，隨著沉默轉(zhuǎn)錄因子RE-1的重新累積，USP15在G1早期去磷酸化[12]。因此，提示USP15可以在細(xì)胞周期中表現(xiàn)出時(shí)間活性，以促進(jìn)特定蛋白質(zhì)的積累。

3 USP15參與免疫反應(yīng)

3.1USP15調(diào)節(jié)抗病毒介質(zhì)Ⅰ型干擾素的生成 病毒進(jìn)入機(jī)體后通過病原體相關(guān)分子模式激活免疫反應(yīng)，其模式識(shí)別受體包括Toll樣受體、視黃酸誘導(dǎo)型基因Ⅰ(retinoic acid inducible gene-Ⅰ,RIG-Ⅰ)樣受體和核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體3[13]。激活的RIG-Ⅰ通過其N端胱天蛋白酶募集結(jié)構(gòu)域招募并激活β干擾素啟動(dòng)子刺激因子1，通過激活一系列下游信號(hào)，最終產(chǎn)生Ⅰ型干擾素和炎性細(xì)胞因子等抗病毒介質(zhì)[14]。Zhang等[15]的研究表明，USP15的特異性催化作用使RIG-1中Lys43連接的泛素蛋白鏈解鏈，抑制β干擾素啟動(dòng)子刺激因子1的激活，阻斷抗病毒介質(zhì)的產(chǎn)生，同時(shí)發(fā)現(xiàn)組氨酸862是USP15催化活性的關(guān)鍵殘基。研究結(jié)果表明USP15可以負(fù)調(diào)節(jié)依賴RIG-1的Ⅰ型干擾素誘導(dǎo)途徑，此外，研究進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，USP15還可通過其N端DUSP域和C端的USH域與RIG-Ⅰ直接物理結(jié)合形成復(fù)合體，抑制RIG-Ⅰ發(fā)揮功能，進(jìn)而阻斷抗病毒介質(zhì)的產(chǎn)生[15]。然而，Pauli等[16]的研究發(fā)現(xiàn)USP15可以通過改變E3泛素連接酶三基序25的泛素化水平促進(jìn)RIG-Ⅰ對(duì)干擾素的誘導(dǎo)作用。E3泛素連接酶三基序25是一種泛素連接酶，可將泛素鏈的賴氨酸68連接到RIG-Ⅰ上，使RIG-Ⅰ活化并激活Ⅰ型干擾素的產(chǎn)生[17]，同時(shí)，E3泛素連接酶三基序25自身也可被泛素化降解進(jìn)而抑制RIG-Ⅰ的轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。此研究結(jié)果表明USP15通過對(duì)E3泛素連接酶三基序25去泛素化修飾，阻止其泛素化降解并提高其穩(wěn)定性，從而促進(jìn)RIG-Ⅰ介導(dǎo)的抗病毒信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路[16]。

4 USP15參與病毒致病蛋白的調(diào)節(jié)

4.1USP15提高乙型肝炎病毒X蛋白(hepatitis B virus X，HBX)穩(wěn)定性 乙型肝炎病毒感染在我國一直居高位，2006—2010年的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，我國約有6.9億人有乙型肝炎病毒感染史，乙型肝炎表面抗原陽性者約有1.2億人，乙型肝炎病毒感染導(dǎo)致的肝硬化、肝細(xì)胞癌以及肝衰竭每年可導(dǎo)致約35萬人死亡。HBX在乙型肝炎病毒的復(fù)制及肝癌的發(fā)生中起關(guān)鍵作用。Su等[19]研究發(fā)現(xiàn)，HBX蛋白通過泛素化途徑被降解，而USP15為HBX蛋白水平的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑，可穩(wěn)定HBX蛋白。同時(shí)，研究還明確了USP15通過與HBX蛋白氨基酸殘基50～80結(jié)合區(qū)域結(jié)合，去除HBX蛋白上的賴氨酸48連接的多聚泛素蛋白鏈，從而提高HBX的半衰期和穩(wěn)定性[19]。另外，吳燕芳[20]研究也表明USP15降低HBX蛋白的泛素化水平，減少其泛素化降解。

4.2USP15調(diào)節(jié)人乳頭瘤病毒(human papilloma virus,HPV)E6蛋白穩(wěn)定性 HPV感染與宮頸癌的發(fā)生發(fā)展有著密切聯(lián)系。E6、E7是HPV的主要致癌基因,其編碼的E6、E7蛋白分別干擾p53和成視網(wǎng)膜細(xì)胞瘤相關(guān)的腫瘤抑制通路，使細(xì)胞周期改變，阻止細(xì)胞凋亡及分化[21]。Vos等[22]研究結(jié)果表明，USP15可提高E6蛋白的穩(wěn)定性，而泛素化的E6蛋白可能是USP15泛素肽酶活性的底物，但其發(fā)揮作用的具體機(jī)制還有待進(jìn)一步探究。另外，Chiang等[23]研究發(fā)現(xiàn)，HPV E6蛋白可以通過與USP15、E3泛素連接酶三基序25形成復(fù)合物，促使E3泛素連接酶三基序25的泛素化降解，從而減弱RIG-1信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，阻止抗病毒介質(zhì)的產(chǎn)生。

4.3USP15在人類免疫缺陷病毒(human immuno-deficiency virus,HIV)復(fù)制及病毒蛋白降解中的功能 HIV編碼多種病毒蛋白，其中Nef蛋白在獲得性免疫缺陷綜合征疾病進(jìn)程和病毒的復(fù)制過程中發(fā)揮重要作用[24]。Pyeon等[25]研究發(fā)現(xiàn)，Nef蛋白與USP15存在相互作用，USP15可通過泛素蛋白酶系統(tǒng)介導(dǎo)Nef蛋白的降解，提示USP15可能被應(yīng)用于降解HIV感染細(xì)胞中的Nef蛋白，從而抑制病毒的復(fù)制及疾病進(jìn)展。另外，研究還發(fā)現(xiàn)USP15還可以通過內(nèi)體及泛素蛋白酶體介導(dǎo)HIV-1結(jié)構(gòu)蛋白Gag降解，抑制HIV-1的復(fù)制，但具體的機(jī)制尚未闡明。

5 USP15參與腫瘤相關(guān)信號(hào)通路的調(diào)節(jié)

5.2USP15通過核因子κB(nuclear factor kappa B,NF-κB)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路參與腫瘤發(fā)生發(fā)展 NF-κB屬于轉(zhuǎn)錄因子蛋白家族，在靜息細(xì)胞中，NF-κB和核因子κB抑制蛋白(inhibitor of nuclear factor kappa B,IκB)形成復(fù)合體，以無活性形式存在于胞質(zhì)中。當(dāng)細(xì)胞受細(xì)胞外信號(hào)刺激后，IκB激酶復(fù)合體活化將IκB磷酸化，使NF-κB暴露核定位位點(diǎn)。游離的NF-κB移位到細(xì)胞核，與特異性κB序列結(jié)合，誘導(dǎo)相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄，參與細(xì)胞增殖，凋亡及腫瘤生長(zhǎng)抑制過程。Schweitzer等[33]的研究發(fā)現(xiàn)，USP15參與調(diào)節(jié)NF-κB通路，通過抑制CRL(cullin-RING ligase)/SCF-TrCP(Skp1-cullin-1-F-box protein-ubiquitin ligase complex)對(duì)IκB的泛素化降解，使IκB再累積并穩(wěn)定,從而抑制NF-κB通路[33]。

5.3USP15參與p53信號(hào)通路傳導(dǎo) p53是抑癌蛋白的一種，主要參與細(xì)胞的凋亡過程，在DNA損傷修復(fù)，干細(xì)胞分化、細(xì)胞代謝等過程中同樣存在重要作用，抑制癌癥的發(fā)生[34]。MDM2是泛素化過程中E3連接酶的一種，MDM2蛋白的過表達(dá)，參與基因的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄及轉(zhuǎn)錄前過程，與多種腫瘤的發(fā)生有關(guān)，且與抑癌蛋白P53的泛素化降解相關(guān)[35]。有研究表明，USP15在黑色素瘤及結(jié)直腸腫瘤中過度表達(dá)，通過增加MDM2的穩(wěn)定性降低p53的表達(dá)，從而抑制腫瘤細(xì)胞的凋亡。此研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，USP15在抑制腫瘤細(xì)胞凋亡過程的同時(shí)，抑制抗腫瘤T細(xì)胞的免疫應(yīng)答反應(yīng)，對(duì)于臨床應(yīng)用方面有重要意義[2]。

6 展 望

DUBs可逆性調(diào)節(jié)泛素-蛋白酶體途徑中的蛋白質(zhì)降解，調(diào)節(jié)多種重要的細(xì)胞活動(dòng)，是轉(zhuǎn)錄、膜蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)、核轉(zhuǎn)運(yùn)、自噬及免疫應(yīng)答反應(yīng)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。值得關(guān)注的是，DUBs的異常修飾或表達(dá)與多種疾病的發(fā)生發(fā)展有關(guān)，但尚缺乏機(jī)制研究。其中，USP15作為研究較為深入的DUBs，已被發(fā)現(xiàn)在多種疾病的發(fā)生過程中存在重要作用，USP15可以通過調(diào)節(jié)TGF-β、NF-κB、p53等信號(hào)通路參與腫瘤的發(fā)生發(fā)展，包括乳腺癌、結(jié)腸癌、膠質(zhì)細(xì)胞瘤、卵巢癌及黑色素瘤等。另外，在一些病毒感染后，USP15也可通過直接或間接作用于病毒蛋白發(fā)揮抗病毒功能，其中，USP15可以增加HPV E6蛋白的穩(wěn)定性，但其在HPV感染的宮頸細(xì)胞中呈低表達(dá)，提示其可能在HPV的致癌過程中起一定作用?？傊?，隨著研究的深入，USP15會(huì)有更多的生物學(xué)功能被發(fā)現(xiàn)，明確其作用機(jī)制及調(diào)節(jié)機(jī)制將成為未來研究的重點(diǎn)，對(duì)于日后腫瘤及免疫方面的多種疾病的病因及治療方面的研究和探索具有重要意義。另外，以USP15作為治療疾病的分子靶標(biāo)或疾病相關(guān)的標(biāo)志物將會(huì)有更廣闊的價(jià)值及應(yīng)用前景。