線粒體、高爾基體及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中UBIAD1蛋白的生理作用研究進(jìn)展

梁青云，許志亮，張遠(yuǎn)起

1 廣東醫(yī)科大學(xué)，廣東湛江 524000；2 廣東醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院血管甲狀腺乳腺外科；3 廣東醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院臨床研究實(shí)驗(yàn)中心

UBIAD1 蛋白是維生素K2和輔酶Q10 的生物合成酶［1-2］，其基因表達(dá)由轉(zhuǎn)錄因子陰陽(yáng)1 所調(diào)控［3］，參與膽固醇代謝［4］、氧化平衡［5］及細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等生物學(xué)過(guò)程。UBIAD1 蛋白在不同的細(xì)胞定位于不同的亞細(xì)胞器，從而發(fā)揮不同的功能。研究者們先后發(fā)現(xiàn)，UBIAD1 蛋白定位于人成骨細(xì)胞樣細(xì)胞MG63 的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上促進(jìn)維生素側(cè)鏈交換催化維生素K1轉(zhuǎn)換為維生素K2［6］；定位于人角膜實(shí)質(zhì)細(xì)胞［7］及果蠅衍生的S2 細(xì)胞中的線粒體［8］可對(duì)維生素K2的合成及線粒體呼吸鏈電子傳遞發(fā)揮一定作用；定位于人類內(nèi)皮細(xì)胞的高爾基體［5］合成非線粒體型輔酶Q10，通過(guò)一氧化氮發(fā)揮抗氧化作用。研究［9-11］顯示，UBIAD1 蛋白的異常表達(dá)與多種細(xì)胞病理過(guò)程相關(guān)，且與腫瘤、脂代謝紊亂、氧化應(yīng)激及多種心腦血管疾病等密切相關(guān)，但UBIAD1 蛋白的亞細(xì)胞定位與多種疾病的關(guān)系尚未明確。了解不同亞細(xì)胞器中UBIAD1 蛋白的作用有助于為后續(xù)挖掘UBIAD1 作為其相關(guān)疾病的治療靶點(diǎn)提供理論依據(jù)。本研究就近年線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)及高爾基體中UBIAD1 蛋白生理作用的研究進(jìn)展進(jìn)行以下綜述。

1 線粒體中UBIAD1蛋白的生理作用

UBIAD1 蛋白可參與維持線粒體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及調(diào)控脂質(zhì)代謝［8］。線粒體的結(jié)構(gòu)正常是保證信號(hào)傳遞的前提［12-13］。研究發(fā)現(xiàn)，果蠅的heix 基因突變（ubiad1 在果蠅的同源基因，果蠅體內(nèi)維生素K2的生物合成者之一）可使果蠅生物模型的線粒體膜電勢(shì)及ATP 合成能力下降，發(fā)生飛行能力障礙［14］。通過(guò)檢測(cè)線粒體的形態(tài)發(fā)現(xiàn)，heix 基因突變導(dǎo)致線粒體結(jié)構(gòu)崩潰及缺陷，而予heix 基因突變體果蠅喂養(yǎng)維生素K2發(fā)現(xiàn)其生存率大幅度提高并彌補(bǔ)其他細(xì)胞水平上的缺陷，從而說(shuō)明HEIX 蛋白及其合成的維生素K2在維持果蠅線粒體結(jié)構(gòu)方面不可或缺，可在一定條件下修補(bǔ)由于帕金森癥相關(guān)基因pink1 缺失所導(dǎo)致電子傳遞及ATP 的合成障礙［15］。另外也有研究［16］報(bào)道，維生素K2可以修飾線粒體結(jié)構(gòu)蛋白Bax，進(jìn)而影響線粒體結(jié)構(gòu)。而人類UBIAD1 蛋白突變也可能影響線粒體功能［7］。通過(guò)使用電子顯微鏡分析施耐德結(jié)晶狀角膜營(yíng)養(yǎng)不良癥患者角膜樣本發(fā)現(xiàn)，其線粒體囊性腫脹，但機(jī)制尚不清楚［17］。此外，UBIAD1蛋白定位于細(xì)胞線粒體與線粒體蛋白TBL2相互作用［18］，進(jìn)一步穩(wěn)定細(xì)胞線粒體結(jié)構(gòu)。以上研究說(shuō)明UBIAD1 蛋白在維持線粒體結(jié)構(gòu)和平衡氧化還原循環(huán)中具有重要作用。

另外，UBIAD1 蛋白定位于細(xì)胞線粒體，通過(guò)線粒體信號(hào)調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)和甾醇的代謝流程，影響細(xì) 胞 內(nèi) 膽 固 醇 的 含 量。FREDERICKS 等［19］通過(guò)miRNA敲低細(xì)胞UBIAD1蛋白及TBL2的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)UBIAD1 及TBL2 蛋白水平降低可引起人胚腎細(xì)胞株HEK293細(xì)胞膽固醇水平增加，這表明UBIAD1蛋白在線粒體上定位具有調(diào)節(jié)膽固醇的潛力，但其具體機(jī)制尚不明確。

2 高爾基體中UBIAD1蛋白的生理作用

高爾基體中UBIAD1蛋白可合成輔酶Q10，調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激。UBIAD1 定位于高爾基體合成非線粒體輔酶Q10，調(diào)節(jié)內(nèi)皮型一氧化氮合酶（eNOS）活性，影響細(xì)胞活性氧（ROS）合成，避免細(xì)胞發(fā)生脂質(zhì)過(guò)氧化損傷。MUGONI等［5］發(fā)現(xiàn)，內(nèi)源性UBIAD1與高爾基體特異標(biāo)志物TGN46 在人內(nèi)皮細(xì)胞（ECs）內(nèi)精確共定位，表明UBIAD1 蛋白位于高爾基體。將13C6 標(biāo)記的4-羥基-苯甲酸與人內(nèi)皮細(xì)胞共孵育后檢測(cè)其新合成的輔酶Q10，發(fā)現(xiàn)當(dāng)UBIAD1表達(dá)減少時(shí)，高爾基體區(qū)合成的CoQ10-13c6 較線粒體組減少；另外，在人內(nèi)皮細(xì)胞的亞細(xì)胞碎片中，發(fā)現(xiàn)只在高爾基體抽提物中檢測(cè)到UBIAD1 蛋白，線粒體抽提物中沒(méi)有檢測(cè)到UBIAD1 蛋白。斑馬魚(yú)中質(zhì)譜同位素實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，UBIAD1 蛋白缺失突變的斑馬魚(yú)的輔酶Q10 含量明顯降低，但體外補(bǔ)充輔酶Q10可以拯救缺失斑馬魚(yú)的表型。上述研究表明在高爾基體上定位的UBIAD1 蛋白具有非線粒體輔酶Q10 異戊烯轉(zhuǎn)移酶活性。通過(guò)他汀類藥物抑制甲羥戊酸途徑降低UBIAD1 蛋白的底物香葉基香葉基焦磷酸，可以促使正常斑馬魚(yú)發(fā)生類似UBIAD1蛋白缺失的表型，進(jìn)一步說(shuō)明UBIAD1 蛋白可以利用香葉基香葉基焦磷酸合成輔酶Q10。輔酶Q10是唯一一種內(nèi)源合成的脂溶性抗氧化劑。PEPE等［20］發(fā)現(xiàn)，輔酶Q10 在心血管系統(tǒng)中發(fā)揮重要的抗氧化作用。

研究者通過(guò)敲除內(nèi)皮型一氧化氮合酶蛋白和利用內(nèi)皮型一氧化氮合酶活性抑制劑精氨酸甲酯（LNAME）處理bar（ubiad1 基因在斑馬魚(yú)中的同源基因）基因突變的斑馬魚(yú)，發(fā)現(xiàn)突變體心血管的氧化壓力及活性氧水平可被改善，這表明在心血管抑制內(nèi)皮型一氧化氮合酶可以阻止因UBIAD1 蛋白在血管細(xì)胞中的表達(dá)下降導(dǎo)致的氧化損傷，這可能是因?yàn)槿狈BIAD1 蛋白所生成的輔酶Q10 會(huì)導(dǎo)致內(nèi)皮型一氧化氮合酶解耦，一氧化氮合成減少，導(dǎo)致血管細(xì)胞活性氧超載，發(fā)生脂質(zhì)過(guò)氧化及鐵死亡。由此可見(jiàn)，在心血管發(fā)育和內(nèi)穩(wěn)態(tài)過(guò)程中，UBIAD1 蛋白、輔酶Q10 和一氧化氮信號(hào)通路之間存在聯(lián)系，即UBIAD1 蛋白在高爾基體中利用香葉基香葉基焦磷酸產(chǎn)生的輔酶Q10可作為內(nèi)皮型一氧化氮合酶電子載體，將過(guò)多的氧氣轉(zhuǎn)化為一氧化氮，從而避免活性氧超載，防止細(xì)胞發(fā)生氧化損傷。

3 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中UBIAD1蛋白的生理作用

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的UBIAD1蛋白可通過(guò)與3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶a 還原酶結(jié)合平衡脂質(zhì)代謝。UBIAD1 蛋白定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)時(shí)，甾醇可刺激其與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶a 還原酶結(jié)合，以避免3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶a還原酶受內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)降解影響，刺激甲羥戊酸合成以補(bǔ)充香葉基香葉基焦磷酸。法尼基焦磷酸和香葉基香葉基焦磷酸可共價(jià)連接許多細(xì)胞蛋白，是非甾醇類異戊二烯（如泛醌、血紅素、多萜醇和MK-4）生產(chǎn)的中間體。非固醇類異戊二烯作為腫瘤細(xì)胞增殖、遷移和血管生成的重要調(diào)節(jié)因子，參與調(diào)節(jié)細(xì)胞增殖和遷移的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，對(duì)于維持細(xì)胞活力至關(guān)重要。細(xì)胞必須不斷產(chǎn)生非固醇類異戊二烯以保證細(xì)胞的最佳功能，但同時(shí)需要避免膽固醇或其他固醇前體的潛在毒性過(guò)度積累，引發(fā)不溶性晶體的形成，導(dǎo)致細(xì)胞死亡。這通過(guò)一個(gè)多價(jià)反饋系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，反饋控制的一部分涉及3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶a 還原酶的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)降解。UBIAD1 被認(rèn)為是3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶a 還原酶內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)降解途徑和類異戊二烯合成調(diào)節(jié)的核心參與者。人成纖維細(xì)胞中UBIAD1 的缺失會(huì)加速3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶a還原酶的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)降解，導(dǎo)致膽固醇合成減少和細(xì)胞內(nèi)積累。

共免疫沉淀研究［21］發(fā)現(xiàn)，甾醇刺激3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶a還原酶Insigs蛋白和UBIAD1蛋白形成多蛋白復(fù)合物。這種結(jié)合保護(hù)一部分3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶a 還原酶免受內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)降解，以合成有限量的甲羥戊酸。與甾醇分支中的酶相比，甲羥戊酸代謝的非甾醇分支中的酶的高底物親和力促進(jìn)該甲羥戊酸優(yōu)先合成香葉基香葉基焦磷酸和其他非甾醇類異戊二烯［2］。一旦香葉基香葉基焦磷酸在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜內(nèi)積累到足夠的水平， 就會(huì)與UBIAD1蛋白結(jié)合，從而引發(fā)3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶a 還原酶復(fù)合物解離。失去保護(hù)的3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶a還原酶會(huì)進(jìn)行內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)降解，UBIAD1蛋白則從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)進(jìn)入高爾基體；當(dāng)香葉基香葉基焦磷酸在細(xì)胞中耗竭后，UBIAD1 蛋白會(huì)從高爾基體逆行轉(zhuǎn)運(yùn)到內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。YOUNGAH［4］認(rèn)為這是因?yàn)閁BIAD1 蛋白在高爾基體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)之間不斷循環(huán)，使其能夠不斷監(jiān)測(cè)嵌入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜中的香葉基香葉基焦磷酸水平。在香葉基香葉基焦磷酸耗盡后，UBIAD1蛋白被隔離在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，但確切的分子機(jī)制尚未明確［7］。施耐德結(jié)晶狀角膜營(yíng)養(yǎng)不良癥相關(guān)突變體UBIAD1（N102S）并不會(huì)由于香葉基香葉基焦磷酸含量增加而離開(kāi)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，反而繼續(xù)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶a 還原酶結(jié)合，即施耐德結(jié)晶狀角膜營(yíng)養(yǎng)不良癥相關(guān)的UBIAD 蛋白被隔離在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，導(dǎo)致3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶a 還原酶的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)降解被抑，從而促進(jìn)膽固醇的合成和積累。隨后的研究［22］表明，其他19 個(gè)與施耐德結(jié)晶狀角膜營(yíng)養(yǎng)不良癥相關(guān)的UBIAD1 蛋白突變體同樣阻斷了3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶a還原酶的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)降解。研究［23］認(rèn)為，UBIAD1 蛋白介導(dǎo)的對(duì)3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶a還原酶的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)降解的抑制可能是與施耐德結(jié)晶狀角膜營(yíng)養(yǎng)不良癥相關(guān)的膽固醇積累的基礎(chǔ)。UBIAD1 蛋白從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)到高爾基體的轉(zhuǎn)運(yùn)可能具有重要的臨床意義。這對(duì)于未來(lái)研究模擬香葉基香葉基焦磷酸觸發(fā)UBIAD1 蛋白向高爾基體轉(zhuǎn)運(yùn)中的藥物是否會(huì)加速3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶a 還原酶的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)降解，并減輕伴隨他汀類藥物治療所積累的3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶a 還原酶以及治療施耐德結(jié)晶狀角膜營(yíng)養(yǎng)不良癥角膜異常累積膽固醇提供了一個(gè)重要的研究方向。

綜上所述，不同空間定位的UBIAD1 蛋白功能不同。在線粒體可合成維生素K2，維持線粒體結(jié)構(gòu)和細(xì)胞內(nèi)正常能量供應(yīng)；在高爾基體合成抗氧化劑輔酶Q10，通過(guò)抗氧化及減少缺血再灌注引起的氧化應(yīng)激和細(xì)胞凋亡以保護(hù)心血管；在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)與3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶a 還原酶相互作用，通過(guò)抑制3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶a 還原酶的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)降解調(diào)節(jié)細(xì)胞脂質(zhì)代謝。但目前相關(guān)研究并不能明確UBIAD1 蛋白的亞細(xì)胞定位與疾病發(fā)生發(fā)展的關(guān)系，未來(lái)需要進(jìn)一步深入研究。