去泛素化酶及其相關(guān)通路與疾病的研究進(jìn)展

黃曉悅，全裕鳳

（桂林醫(yī)學(xué)院，廣西 桂林）

0 引言

蛋白質(zhì)翻譯后修飾（post-translational modification，PTM）在生命體的基因表達(dá)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、細(xì)胞分裂等基本活動(dòng)中均具有十分重要的作用[1]。蛋白質(zhì)泛素化（ubiquitination）是一種常見的蛋白質(zhì)翻譯后修飾[2]。泛素-蛋白酶體途徑 （ubiquitin-proteasome pathway，UPP）是一種依賴ATP 進(jìn)行的，具有特異性和選擇性的細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)降解途徑，其主要通過作用于細(xì)胞內(nèi)一些短壽蛋白和一些結(jié)構(gòu)異常、錯(cuò)構(gòu)或受損傷的蛋白，以共價(jià)結(jié)合的形式聯(lián)結(jié)多個(gè)泛素（ubiquitin）分子，形成靶蛋白多聚泛素鏈即泛素化（ubiquitination）后，底物將被輸送到26S 蛋白酶體上消化降解[3]。這一途徑參與并調(diào)控了真核生物體內(nèi)眾多重要的生命活動(dòng)，除了調(diào)控細(xì)胞周期、免疫應(yīng)答、基因轉(zhuǎn)錄、細(xì)胞受體功能、炎癥反應(yīng)等過程[4]，UPP 還參與了多種疾病發(fā)生發(fā)展的過程，如高氧肺損傷[5]、視網(wǎng)膜發(fā)育不良[6]、乳腺癌[7]、神經(jīng)退行性病變[8]等。

去泛素化酶（deubiquitinating enzymes， DUB）的存在使泛素化修飾成為一個(gè)被嚴(yán)格調(diào)控的可逆過程。去泛素化酶可通過切割多聚泛素鏈或者從修飾的底物蛋白中去除泛素，逆轉(zhuǎn)泛素化過程，起到去泛素化的作用，逆向調(diào)節(jié)了蛋白降解途徑，從而影響了細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的功能。去泛素化酶可以影響或調(diào)節(jié)眾多細(xì)胞生物學(xué)過程，如細(xì)胞的基因表達(dá)、生長發(fā)育、細(xì)胞周期、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、神經(jīng)病變或腫瘤的發(fā)生等[9]。

1 去泛素化酶的分類

去泛素化酶是一類數(shù)量眾多的蛋白酶家族，根據(jù)其催化結(jié)構(gòu)域的不同，主要分為以泛素特異性加工酶家族和泛素羧基末端水解酶家族為主的6 個(gè)亞家族[10]，包括泛素-特異性蛋白酶家 族（ubiquitin-specific proteases，USPs）、泛 素 羧 基 末 端 水 解酶家族（ubiquitin C-terminal hydrolases，UCHs）、卵巢腫瘤蛋白酶家族（ovarian tumor proteases，OTUs）、MJD 結(jié)構(gòu)域蛋白酶家族（Machado-Josephdisease protein domain proteases，MJDs）、MINDY 蛋白酶家族（MIU-containing novel DUB family）和JAMM蛋白酶家族（JAB1/MPN/MOV34 proteases），其中，除JAMM 是鋅金屬肽酶外，其余5 個(gè)去泛素化酶家族均為半胱氨酸肽酶[11]。

2 去泛素化酶的作用機(jī)制

去泛素化酶通過修剪泛素鏈或從修飾底物中特異性去除泛素來調(diào)節(jié)泛素信號(hào)[12]，其主要作用于泛素-蛋白酶體系統(tǒng)中泛素化修飾后的蛋白底物，通過識(shí)別泛素分子、蛋白底物或者蛋白酶體的特異性序列，水解聚泛素鏈，將泛素蛋白從靶蛋白上解離出來，重新進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)蛋白調(diào)節(jié)的循環(huán)中[13]。DUB 除了能特異性識(shí)別泛素分子的羧基末端，還可與泛素疏水區(qū)周圍的大片區(qū)域相互作用，從而將底物上的泛素分子釋放出來。它還可抑制E3 連接酶的連接功能，主要是通過切割靶蛋白上的賴氨酸殘基與泛素的C 末端之間的肽鍵連接來實(shí)現(xiàn)的，影響了底物與泛素鏈的連接，以達(dá)到去泛素化的目的，從而增強(qiáng)了蛋白底物的穩(wěn)定性[14]。此外，與一些特異性蛋白的結(jié)合可以使去泛素化酶間接激活，而這些特異性蛋白可引導(dǎo)去泛素化酶進(jìn)入特別的途徑或者幫助它們定位于特異性位點(diǎn)，從而達(dá)到逆轉(zhuǎn)蛋白質(zhì)降解的目的[9]。由于去泛素化酶家族種類及其功能的復(fù)雜性，其具體的作用機(jī)制未十分明確，仍需我們不斷的研究。

3 去泛素化酶相關(guān)信號(hào)通路及疾病

3.1 Wnt/β-catenin 信號(hào)通路

Wnt 信號(hào)通路作為一條高度保守的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路途徑，參與了動(dòng)物個(gè)體發(fā)育各階段及發(fā)育成熟器官的病理生理過程的調(diào)節(jié)，其中包括了胚胎的生長發(fā)育、組織結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定、能量代謝的平衡以及干細(xì)胞的維持等過程，Wnt 信號(hào)通路的異常激活與人類多種重大疾病有著密不可分的聯(lián)系[15]。β-catenin 作為經(jīng)典Wnt 信號(hào)通路的關(guān)鍵因子，其在胞質(zhì)內(nèi)富集并向細(xì)胞核內(nèi)轉(zhuǎn)移是Wnt 信號(hào)通路活化的標(biāo)志。正常情況下，體內(nèi)β-catenin 含量的穩(wěn)定可通過泛素-蛋白酶體途徑來維持。當(dāng)去泛素化酶表達(dá)增加時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致β-catenin 含量增加，從而導(dǎo)致相關(guān)疾病的發(fā)生。例如，轉(zhuǎn)錄因子Tcf/lef 家族介導(dǎo)Wnt/β-catenin 通路，參與脊椎動(dòng)物胚胎發(fā)生和翻譯后修飾等生物學(xué)過程。泛素羧基末端水解酶家族中的UCH37與轉(zhuǎn)錄因子7 特異性結(jié)合，并使其去泛素化，激活Wnt/β-catenin信號(hào)傳導(dǎo)途徑，從而使β-catenin 含量增加，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞增殖異常及腫瘤的發(fā)生[16]；USP7 也可以通過對(duì)β-catenin 去泛素化，在Wnt 信號(hào)傳導(dǎo)中起積極作用，促進(jìn)結(jié)直腸腫瘤的生長[17]，而其特異性抑制劑P5091 可通過增強(qiáng)β-catenin 的泛素化和亞序列降解而減弱Wnt 信號(hào)途徑轉(zhuǎn)導(dǎo)的能力，抑制了結(jié)直腸癌細(xì)胞的增殖并誘導(dǎo)凋亡[18]。另有研究表明，高氧暴露早期大鼠肺組織中泛素-蛋白酶途徑被激活，并參與了肺損傷過程[5]，而以β-catenin 為中心的Wnt/β-catenin 信號(hào)途徑也被證實(shí)了參與支氣管肺發(fā)育不良（bronchopulmonary dysplasia，BPD）的發(fā)生[19]。

3.2 TGF-β 信號(hào)通路

轉(zhuǎn)化生長因子β （transforming growth factor-β， TGF-β）是一類具有多種生物學(xué)活性的細(xì)胞因子， TGF-β 信號(hào)通路在調(diào)節(jié)胚胎發(fā)育、細(xì)胞增殖和凋亡、免疫應(yīng)答、傷口修復(fù)等過程中均起著關(guān)鍵性作用。通常情況下，TGF-β 在腫瘤組織中的表達(dá)量較正常組織升高[20]。TGF-β 信號(hào)通路與去泛素化酶密切相關(guān)，絕大多數(shù)的DUB可以通過減少相關(guān)分子的降解，使得TGF-β 的濃度維持在一個(gè)高水平，從而導(dǎo)致了腫瘤的發(fā)生和轉(zhuǎn)移。如，USP15 是TGF-β 受體（TGF-β receptor，TβR）的去泛素化酶，是TGF-β 信號(hào)通路的關(guān)鍵組成部分。USP15 的高表達(dá)與TGF-β 高活化相關(guān)，在膠質(zhì)母細(xì)胞瘤、乳腺癌和卵巢癌中均發(fā)現(xiàn)了USP 15 基因過度表達(dá)。在患有膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的個(gè)體中，USP15 過度表達(dá)提示了預(yù)后不良的可能。膠質(zhì)母細(xì)胞瘤患者源性原位小鼠模型中，下調(diào)或抑制USP15 可降低TGF-β的活性。此外，由于TGF-β 信號(hào)的抑制，USP15 的消耗降低了源自患者的神經(jīng)膠質(zhì)瘤引發(fā)細(xì)胞的致癌能力。結(jié)果表明，USP15 通過調(diào)節(jié)TGF-β 通路，是膠質(zhì)母細(xì)胞瘤發(fā)病機(jī)制的一個(gè)關(guān)鍵因素[21]。另有研究表明，Smad 特異性E3 泛素蛋白連接酶2（SMURF2）是USP15 在TGF-β 通路中的關(guān)鍵靶點(diǎn)。USP15 不僅可以直接靶向作用于TβR；還能使SMURF2 去泛素化后在接觸反應(yīng)中失活，TβR 的穩(wěn)定性得以提高；兩者共同作用提高了TGF-β 受體含量，與腫瘤的形成有著密不可分的關(guān)系[22]。但并非所有的去泛素化酶都會(huì)對(duì)腫瘤的發(fā)生起促進(jìn)作用，其中有一小部分可抑制腫瘤的發(fā)生。腫瘤抑制因子（cylindromatosis，CYLD）就是其中之一，它作為Wnt/β-catenin和NF-κb 信號(hào)傳導(dǎo)途徑的負(fù)調(diào)節(jié)因子，對(duì)多發(fā)性骨髓瘤（MM）細(xì)胞的增殖和存活有抑制作用，為治療MM 提供了一個(gè)靶點(diǎn)[23]。此外，CYLD 還是Smad 的一種去泛素化酶，而Smad7 又作為TGF-β 通路的負(fù)性調(diào)控因子，因此CYLD 水平的改變對(duì)癌癥的發(fā)生發(fā)展存在一定的意義[24]。TGF-β 通路的異常活化，還可導(dǎo)致纖維性病變的發(fā)生，南玲[25]研究發(fā)現(xiàn)：去泛素化酶家族中的UCH-L5 能使Smad2、Smad3 蛋白去泛素化，增強(qiáng)TGFβ-1 信號(hào)通路轉(zhuǎn)導(dǎo)，促進(jìn)了肺纖維化；而UCH-L5 抑制劑b-AP15 則能夠減弱TGFβ-1 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，從而減輕博來霉素誘發(fā)的肺纖維化小鼠肺纖維化程度。因此，推測(cè)UCH-L5 可能是治療特發(fā)性肺纖維化新的治療靶點(diǎn)。

3.3 Akt 信號(hào)通路

蛋白激酶B（protein kinase B， Akt） 是一種絲氨酸/蘇氨酸特異性蛋白激酶，是胰島素等生長因子的重要細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)體，在葡萄糖代謝、細(xì)胞的增殖、代謝、轉(zhuǎn)錄、遷移和凋亡、血管生成、腫瘤侵襲等多種過程發(fā)揮重要作用[26]。UCH-L1 可以提高細(xì)胞的生存、遷移和增殖能力，除了在神經(jīng)元中高表達(dá)外，還在人類多種癌細(xì)胞中都存在高表達(dá)現(xiàn)象。研究表明，UCH-L1 通過提高Akt 信號(hào)通路的表達(dá)來促進(jìn)癌細(xì)胞的生長[27]。

3.4 NF-κb信號(hào)通路

核因子κB （nuclear factor kappa B，NF-κB）是轉(zhuǎn)錄因子蛋白家族中的一員，普遍存在于多種組織細(xì)胞中，是重要的誘導(dǎo)性轉(zhuǎn)錄因子。除了參與機(jī)體正常的免疫反應(yīng)、炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)、氧化應(yīng)激、細(xì)胞生長、增殖和凋亡等生理過程外，NF-κb 還與哮喘、（類）風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、心血管疾病、神經(jīng)退行性疾病及癌癥等疾病有著密切聯(lián)系。鋅指蛋白A20 是炎性反應(yīng)的內(nèi)源性調(diào)控蛋白和組織細(xì)胞保護(hù)性蛋白，其抑制NF-κb 信號(hào)通路的作用主要是通過阻止NF-κb 信號(hào)通路上游因子的泛素化過程來實(shí)現(xiàn)的[28]。朱曉丹等[29]研究表明，若A20 基因表達(dá)受抑制，則可致肺泡巨噬細(xì)胞NF-κB 活性升高，從而使TNF-α、IL-1β 表達(dá)及分泌增加；反之，當(dāng)A20 基因過表達(dá)時(shí)，肺泡巨噬細(xì)胞NF-κb 活性則被抑制，TNF-α、IL-1β 表達(dá)和分泌減少；A20 蛋白可以通過抑制肺泡巨噬細(xì)胞炎癥反應(yīng)活性，進(jìn)而減輕了肺損傷。OTUs 中的OTUD7B（又稱Cezanne）能通過對(duì)腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子3 去泛素化作用，從而阻止異常的非經(jīng)典NF-κb 途徑激活[30]。當(dāng)OTUD7B 被沉默后，腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子6 活動(dòng)增強(qiáng)，NF-κb 信號(hào)通路活化從而促使炎性基因表達(dá)。因此，抑制TRAF6 泛素化的分子機(jī)制是減少缺氧組織炎癥的潛在治療靶點(diǎn)[31]。

4 前景與展望

蛋白質(zhì)去泛素化與泛素化的動(dòng)態(tài)平衡與穩(wěn)定，在機(jī)體眾多生命活動(dòng)的過程中扮演了一個(gè)相當(dāng)重要的角色。近年來研究相關(guān)疾病與Dubs 之間的關(guān)系已成為熱點(diǎn)。Dubs 在蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)換、定位和細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)等多種細(xì)胞過程中具有重要的作用，是一種很有前途的治療靶點(diǎn)。但其致病機(jī)理及其疾病的發(fā)展中具體機(jī)制尚未十分明確，仍需我們進(jìn)一步深入研究。因此，研究Dubs 及其相關(guān)通路與疾病的關(guān)系，有望研究出一些有效的治療靶點(diǎn)和藥物，可能為疾病的治療和預(yù)防提供新的線索。