去泛素化酶在炎癥性腸病中的研究進展

呂薇，祁全，宋佳希，胡雪玲，章金春

南京中醫(yī)藥大學附屬南京中醫(yī)院醫(yī)學檢驗科，江蘇南京 210022

泛素化-去泛素化修飾可調(diào)節(jié)細胞中蛋白質(zhì)的定位、功能并降解蛋白質(zhì)，參與胞內(nèi)信號傳遞、基因表達調(diào)控、細胞增殖、炎癥免疫等生命活動的調(diào)控[1]。去泛素化酶是蛋白酶的超家族之一。根據(jù)催化機制，去泛素化酶分為半胱氨酸蛋白酶和金屬蛋白酶兩類，其在調(diào)節(jié)泛素信號傳導中至關重要，并與癌癥、中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病、自身免疫疾病和感染性疾病等相關[2]。

1 炎癥性腸病及其免疫調(diào)節(jié)

炎癥性腸?。╥nflammatory bowel disease，IBD）是慢性、非特異性、腸道炎癥性疾病，包括克羅恩病和潰瘍性結腸炎[3]。IBD主要由腸道免疫系統(tǒng)失調(diào)、微生物群紊亂和腸道上皮屏障功能障礙引起，其臨床表現(xiàn)主要為腹瀉、腹痛和直腸出血等。多數(shù)患者病情反復發(fā)作，可引發(fā)腸穿孔、腸梗阻和腸癌等疾病。目前，IBD的致病性和病理學機制尚不明確，且缺乏有效治療藥物。

在IBD的發(fā)病機制中，先天性免疫和適應性免疫發(fā)揮重要作用。先天免疫細胞可抵御病原體和腸道微生物的過度進入，同時保持對常駐腸道微生物群的免疫耐受性。腸道先天免疫細胞可產(chǎn)生快速和非特異性反應作為一線反應；先天免疫細胞可通過產(chǎn)生細胞因子和趨化因子、激活補體級聯(lián)反應和吞噬作用或呈遞抗原，激活免疫應答介導宿主防御反應、炎癥和組織愈合。適應性免疫應答通過B細胞或T細胞特異性激活，主要介導體液免疫和細胞免疫。免疫細胞主要有細胞毒性T細胞、效應T細胞、調(diào)節(jié)性T細胞、輔助性T細胞和分泌抗體的B細胞[4]。此外，免疫細胞通過分泌促炎細胞因子和抗炎細胞因子等多細胞因子調(diào)節(jié)腸道穩(wěn)態(tài)[5]。

2 泛素化修飾

泛素、泛素活化酶E1、泛素結合酶E2、泛素連接酶E3和去泛素化酶參與蛋白質(zhì)的泛素化過程。泛素化是泛素分子在一系列特殊酶的作用下，識別靶蛋白，并對靶蛋白進行特異性修飾的過程[6]。在三磷酸腺苷供能的情況下，泛素活化酶E1與泛素形成硫酯鍵，使泛素與泛素結合酶E2結合，在泛素連接酶E3的作用下，泛素的羧基端與底物蛋白上的賴氨酸殘基形成異肽鍵，對底物蛋白進行泛素化修飾[6]。

泛素是一種高度保守的含有76個氨基酸殘基的蛋白質(zhì)。根據(jù)泛素分子內(nèi)的賴氨酸殘基，至少可形成7種賴氨酸泛素鏈，包括K6、K11、K27、K29、K33、K48和K63[7]。此外，將泛素的C端甘氨酸鏈接到另一個泛素的N端甲硫氨酸可形成線性泛素鏈M1[7]。蛋白酶體是一種多亞基復合物，可募集蛋白質(zhì)并水解泛素修飾底物，該過程在細胞信號傳導、轉錄調(diào)節(jié)和蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)中起關鍵作用[8]。泛素化是一個可逆的過程，底物上的泛素鏈可通過去泛素化酶去除并水解成單個泛素分子，該過程稱為去泛素化，在維持泛素系統(tǒng)平衡、限制信號傳導以避免信號通路過度激活等方面起關鍵作用[9]。

3 去泛素化酶的種類與功能

去泛素化酶分為半胱氨酸蛋白酶家族和金屬蛋白酶家族兩大類。半胱氨酸蛋白酶包含泛素羧基末端水解酶、泛素特異性蛋白酶（ubiquitin specific protease，USP）、卵巢腫瘤相關蛋白酶（ovarian tumor-related protease，OTU）、Machado-Joseph結構域蛋白酶、單核細胞趨化蛋白誘導蛋白（monocyte chemotactic protein-induced protein，MCPIP）等。金屬蛋白酶家族只包含MPN（+）/JAMM蛋白酶家族。USP是最大的去泛素化酶家族，在細胞周期、信號傳導、DNA損傷修復、染色體易位、基因轉錄、自噬、內(nèi)吞和細胞凋亡中發(fā)揮調(diào)節(jié)作用[10]。USP的異常表達或活性阻斷通常會導致組織發(fā)育異常，甚至引發(fā)一系列疾病[11]。

4 去泛素化酶與IBD

泛素化和去泛素化異?？梢l(fā)癌癥、代謝綜合征、神經(jīng)退行性疾病、自身免疫疾病、炎癥性疾病、感染和肌肉營養(yǎng)不良等多種疾病[12]。去泛素化酶及其介導的泛素化和去泛素化修飾在IBD發(fā)病機制中發(fā)揮重要作用[13]。

4.1 USP家族與IBD

在IBD患者的結腸中，核因子κB（nuclear factorκB，NF-κB）信號通路在促炎因子基因表達、調(diào)節(jié)炎癥小體、激活炎癥T細胞和先天免疫細胞分化中發(fā)揮重要作用[14]。其關鍵激酶IKKβ通過選擇性識別其下游底物p105、p65、IκBα等，參與多種病理生理過程，但上述底物的具體作用機制尚不明確。

CYLD是一種USP家族的去泛素化酶，CYLD基因突變會引發(fā)家族性圓柱瘤病。在結腸炎相關腫瘤模型中，CYLD缺陷小鼠易發(fā)生結腸炎癥，伴有組織學損傷、白細胞浸潤、發(fā)育不良及腸上皮黏膜潰瘍增多等。在CYLD基因缺陷小鼠中，先天性免疫和適應性免疫因子被激活后，B細胞、T細胞和髓系細胞中的NF-κB和c-Jun氨基末端激酶活性增強，腫瘤壞死因子受體相關因子2和NF-κB必需調(diào)節(jié)劑的泛素化增加，CYLD通過調(diào)節(jié)體內(nèi)泛素化來制約炎癥和腫瘤的發(fā)生[15]。在嚴重炎癥模型中，CYLD介導的炎癥小體NLRP6的K63連鎖去泛素化可負向調(diào)節(jié)NLRP6-ASC依賴的炎癥小體活化和白細胞介素（interleukin，IL）-18生成，從而抑制腸道炎癥[16]。在免疫信號傳導中，USP7通過穩(wěn)定NF-κB促進炎癥信號傳導；在適應性免疫反應期間，USP7通過促進蛋白質(zhì)的去泛素化、增加穩(wěn)定性促進腫瘤逃逸；此外，USP7在促進調(diào)節(jié)性T細胞和效應T細胞的抑制功能中起關鍵作用[17]。

研究證實，IBD患者結腸巨噬細胞中USP16高表達，條件性敲除USP16基因的IBD小鼠的炎癥程度降低[18]。在小鼠結腸炎模型中，與野生型小鼠相比，USP47基因敲除小鼠更易患急慢性結腸炎，炎癥細胞因子表達更高，腸組織損傷更嚴重[19]；USP47通過腸上皮細胞中K63連接的多聚泛素化腫瘤壞死因子受體相關因子6的去泛素化調(diào)節(jié)腸道炎癥[19]。

轉錄因子的泛素化修飾可調(diào)控腸道中免疫細胞的比例和功能。T細胞特異性USP8缺陷小鼠易發(fā)展為結腸炎，USP8主要與叉頭盒轉錄因子O1介導的細胞因子受體IL-7Rα的上調(diào)有關[20]。腸道中缺乏USP9X的小鼠表現(xiàn)出腫瘤抑制因子F-box和WD40重復域（F-box and WD repeat domain-containing 7，F(xiàn)bw7）表達減少，而腫瘤抑制因子Fbw7可以c-Myc等癌蛋白為靶點進行泛素化，并在多種人類癌癥中發(fā)生突變。因此，USP9X通過調(diào)節(jié)Fbw7的穩(wěn)定性抑制腫瘤形成[21]。

在IBD模型中，去泛素化酶與IBD的發(fā)病機制相關。USP38是一種新型組蛋白去泛素化酶，可與組蛋白H3K4修飾劑組蛋白去甲基化轉移酶（lysine demethylation 5B，KDM5B）結合并阻止其被蛋白酶體降解，進一步增強KDM5B在炎癥相關基因調(diào)控中的功能。USP38-KDM5B被鑒定為一種獨特的染色質(zhì)修飾復合物，通過調(diào)控組蛋白泛素化和甲基化抑制炎癥反應[22]。在實驗性結腸炎或細菌感染模型中發(fā)現(xiàn)，USP25缺失可增強免疫反應、促進感染細菌的清除和炎癥的消退，并抑制Wnt等信號通路，從而抑制結腸癌的發(fā)生[23]。研究表明，USP25是胃腸道感染和相關癌癥的藥物靶標[23]。

4.2 OTU家族與IBD

卵巢腫瘤結構域蛋白酶（ovarian tumor domainantaining protein，OTUD）1是炎癥、先天性免疫反應、氧化應激反應及活性氧相關細胞死亡途徑的關鍵調(diào)節(jié)因子[24]。OTUD1通過水解K63連接的泛素鏈調(diào)節(jié)NF-κB信號通路。研究發(fā)現(xiàn)，OTUD1與受體相互作用蛋白激酶1（receptor-interacting protein kinase 1，RIPK1）相互作用，并從RIPK63選擇性地切割K1連接的多泛素鏈以抑制NF-κB必需調(diào)節(jié)劑的募集[25]。Nemo信號泛素化在調(diào)控NF-κB等的活化過程中發(fā)揮重要作用，且與IBD的發(fā)病密切相關[26]。OTUD1-RIPK1軸可能是IBD治療的潛在靶標[25]。OTUD5是另一種去泛素化酶，可調(diào)節(jié)先天性免疫細胞和適應性免疫細胞的細胞因子生成。OTUD5在克羅恩病和潰瘍性結腸炎中均過表達，表明這種蛋白質(zhì)參與IBD異常細胞因子反應的擴增[27]。

A20是一種有效的抗炎分子，編碼A20的基因發(fā)生突變與人、小鼠的各種炎癥病理有關。A20可發(fā)揮泛素編輯酶作用，抑制NF-κB信號通路，從而發(fā)揮抗炎作用[28]。特異性敲除小鼠腸上皮細胞中A20后，并未發(fā)生自發(fā)性腸道炎癥，但對葡聚糖硫酸鈉鹽誘導的結腸炎的敏感性增加，并抑制葡聚糖硫酸鈉鹽誘導的急性腸道炎癥的恢復，表明A20在緩解腸道炎癥和促進腸上皮損傷后恢復等方面可發(fā)揮作用[29]。A20和ABIN-1通過抑制胱天蛋白酶8的激活和細胞凋亡信號通路共同預防腸上皮細胞的死亡[30]。A20和ABIN-1也可調(diào)節(jié)RIPK1的不同泛素化事件，影響RIPK1磷酸化和RIPK1激酶活性，抑制RIPK1介導的壞死[30]。此外，A20也可通過對樹突狀細胞功能的調(diào)控，參與IBD的發(fā)生和發(fā)展[31]。

4.3 半胱氨酸蛋白酶家族的其他酶與IBD

Sigma-1受體具有抗炎作用。Sigma-1激動劑氟伏沙明可顯著減輕結腸損傷，增加泛素C端水解酶連接酶-1和內(nèi)皮型一氧化氮合酶的水平，并降低IL-6和誘導一氧化氮合酶的表達水平[32]。

黏蛋白2（mucoprotein 2，MUC2）是結腸黏液層的成分之一，其表達在腸道穩(wěn)態(tài)中起重要作用。去泛素化酶ZRANB1的443氨基酸位置發(fā)生突變，半胱氨酸變?yōu)榻z氨酸，從而影響泛素的形成。研究表明，ZRANB1調(diào)節(jié)MUC2的表達和腸道炎癥，這可能有助于闡明IBD的發(fā)病機制并開發(fā)靶向ZRANB1的新療法[33]。

MCPIP-1在活化的免疫細胞中高表達，在負調(diào)節(jié)免疫反應中起重要作用。MCPIP-1可顯著下調(diào)活性氧和促炎細胞因子的生成，并抑制IBD中性粒細胞的遷移。靶向MCPIP-1有可能為IBD的治療提供新方法[34]。

5 小結與展望

本文綜述去泛素化酶與IBD發(fā)病機制之間的關系。去泛素化酶是IBD的重要調(diào)節(jié)因子，在調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)翻譯后修飾中起重要作用。在調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)活化和降解方面，去泛素化酶對蛋白質(zhì)的修飾可為炎癥的有效治療提供新思路。因此，仍需對USP進行更深入的研究以探索其調(diào)控機制。