泛素-蛋白酶体系统和自噬之间的关系

孙小霞 姜 昕

上海中医药大学基础医学院病原生物教研室，上海201203

泛素-蛋白酶体系统和自噬之间的关系

孙小霞 姜 昕▲

上海中医药大学基础医学院病原生物教研室，上海201203

真核生物细胞内有两种主要的蛋白降解系统，泛素-蛋白酶体系统和自噬。最近的研究表明两者之间存在多方面的联系，抑制蛋白酶体的表达能够诱导自噬，自噬能够降解泛素化蛋白质和错误折叠的蛋白，抑制自噬能引起短期蛋白质的聚集，干扰一个系统的功能会影响另一个系统功能的表达。本文概述两者之间已知的关系。

泛素-蛋白酶体系统；自噬；蛋白酶体抑制剂

泛素-蛋白酶体系统（ubiquitin-proteasome system，UPS）和自噬系统是真核生物细胞内两种主要的蛋白降解途径，也是保持细胞内物质平衡的基础。两个系统共同维持细胞内平衡，蛋白降解过程控制着细胞周期、信号传导、DNA转录修复和翻译和下调对机体有危害的调节因子，降解多余、功能失调和受损的细胞成分，循环利用资源和能量。两种系统具有各自不同的运行机制，近期的研究证明了两者之间确实存在密切而广泛的联系存在，泛素是两个系统共同的底物识别信号，起到连接两个通路的作用。了解两个系统之间的相互作用关系，能够帮助更好的了解与蛋白降解相关疾病的起源和转归，有助于研究和临床应用。

1　一般生物学作用

1.1UPS的一般生物学作用

UPS是真核生物细胞内蛋白质降解的主要机制，蛋白酶体主要存在于细胞质与细胞核中，是一个在进化高度保守的桶装结构，特异性的降解泛素化蛋白质，在维持蛋白质稳定调节分子功能方面起着重要作用。细胞内普遍存在的蛋白酶体是26S蛋白酶体，26S蛋白酶体是30多种不同的亚基组成的2MDa的分子机构，这种多亚基蛋白酶复合物对于细胞保持蛋白质内稳态起到非常关键的作用。26S蛋白酶体是由一个核心的20S圆筒状的蛋白水解关键复合物和两个19S调节复合物组成，还有一种11S调节复合物也可以结合到26S蛋白酶体参与另一种方式的蛋白质降解。UPS降解蛋白质包括两种主要途径，依赖ATP的26S蛋白酶体降解泛素化底物主要负责降解大部分的调节蛋白质，和不依赖ATP的20S蛋白酶体催化降解途径，负责降解氧化蛋白质。26S蛋白酶体降解蛋白质的泛素化过程需要依赖ATP的水解提供能量及三种酶促反应，通过泛素C端甘氨酸和目标蛋白赖氨酸的连接实现泛素分子与蛋白质的结合，泛素活化酶（E1）激活泛素后转移到泛素结合酶（E2）上，最后通过泛素连接酶（E3）识别检验E2转移一部分泛素到目标蛋白质基质上[1]。蛋白酶体的结构决定其优先降解未折叠蛋白，UPS降解错误折叠、氧化和受损蛋白质，调节蛋白质参与信号转导、细胞周期调控、细胞凋亡和基因转录等过程。

1.2自噬的一般生物学作用

与UPS相比自噬局限于细胞质，主要降解长寿命和大分子蛋白质。自噬是细胞内将待降解物质运送至溶酶体降解的过程，根据生理功能和运输途径的不同分为三种类型，巨自噬、微自噬和分子伴侣介导的自噬。巨自噬是细胞内异常的细胞器和蛋白质被双层膜结构隔离形成自噬体，随后被自噬溶酶体降解，微自噬则是溶酶体膜直接吞噬细胞质，而分子伴侣介导的自噬只能降解特定的能够被识别和结合的蛋白质。自噬作为一种适应性代谢分解过程被激活，在维持各种自由氨基、脂肪酸和有机物的循环利用保持细胞内平衡中起到重要作用，是维持细胞内部自稳的重要机制。自噬能够消除有缺陷的蛋白质和细胞器，防止非正常细胞聚集成团，移除胞内病原体[2]。自噬是细胞内蛋白质和细胞器降解的主要通路，与人类疾病的发生密切相关。病原体入侵机体的第一道防御是固有免疫的吞噬作用，而自噬作为机体免疫系统的另一种防御机制，与吞噬作用共同参与维护细胞的正常功能，机体的固有免疫能通过自噬通路抵御细菌和病毒入侵。自噬是维持人体健康非常重要的机制，自噬功能障碍与癌症、神经退行性疾病、微生物感染和衰老都有关[3]。

2　两个系统之间的联系

2.1泛素化连接两个系统

自噬和UPS作为细胞内蛋白降解的两种主要途径，以前的观点认为两者是独立运行的。而单泛素化被观察到是包括溶酶体在内的生物转化过程中内吞作用的关键信号，为两个系统相互作用关系的猜想提供了最早的依据[4]。短寿命蛋白多数被UPS降解，在某些情况下也能够被自噬选择性降解，而大部分为自噬所降解的长寿命蛋白同样能够被UPS降解。错误折叠蛋白被UPS降解是早已有的定论，泛素化后能够直接被26S蛋白酶体降解[5]。自噬对错误折叠蛋白的降解受Bcl-2相关抗凋亡基因（Bcl-2 associated athanogene，BAG）BAG1和BAG3相关水平的调控，高水平的BAG1和BAG3刺激自噬的发生和P62的形成。作为自噬底物的P62，能形成低聚物通过泛素连接域募集泛素化蛋白质，同时通过同微管相关蛋白轻链1（microtubule-associated protein 1 light，LC3）相互作用形成自噬体降解底物。中枢神经系统条件性敲除自噬相关基因（autophagy related gene，Atg）Atg5或Atg7的小鼠模型，显示泛素阳性蛋白病理性积累致神经退行性疾病，这表明一些泛素标记的蛋白亦能被自噬系统所降解[6]。多聚泛素和错误折叠蛋白能够从细胞中通过自噬的被特异性清除，而泛素活化酶E1的失活也会导致自噬功能的缺陷和溶酶体中泛素阳性蛋白质的缺失。自噬通过单泛素化将长寿命的细胞质底物降解，泛素亦是分子伴侣介导自噬的底物之一[7]。

组 蛋 白脱 乙 酰 激 酶（Histone deacetylase 6，HDAC6）是另一种连接两个系统的因素，HDAC6通过一种高度保守的泛素连接域同聚泛素化蛋白质相互作用，同时与肌动蛋白相互作用，说明HDAC6为泛素化物质及其运输机制提供一种物理连接[8]。体外实验中HDAC6表现出对泛素化蛋白质和溶酶体的转运作用，提示HDAC6协调自噬底物的运输机制。

2.2UPS对自噬的影响

蛋白酶体功能被抑制时自噬水平的补偿性升高的现象支持两个系统之间存在相互作用关系的观点。一般认为自噬能够降低蛋白酶体系统底物堆积的压力，实验表明诱导自噬能够保护因基因缺陷所致蛋白酶体失活的果蝇[9]。癌症治疗当中的两个应用途径最广泛的机制自噬和内质网应激，都能够通过蛋白酶体功能的抑制来实现激活。蛋白酶体也是内质网相关蛋白降解（ER-associated degradation，ERAD）系统的组成部分，蛋白酶体抑制剂能通过损害内质网功能增加细胞凋亡[10]。蛋白酶体功能表达受损引起错误折叠蛋白的积累，诱导未折叠蛋白应答，转录激活内质网内与降解错误折叠蛋白有关的基因，未折叠蛋白应答则能够同时诱导自噬的发生。抑制P56能够导致自噬功能的衰退和蛋白聚集，多巴胺神经元细胞经蛋白酶体抑制剂作用后，通过P56的增加能够诱导自噬水平的升高[11]。蛋白酶体抑制剂代偿性诱导自噬同样被证明与HDAC6有关，HDAC6与自噬的转移机制相关，通过有效的运输自噬底物可以提高自噬对底物降解的效率[12]。自噬和蛋白酶系统通过协调蛋白质的合成和降解保持细胞健康的自我更新状态，一旦体内蛋白质平衡被打破则会导致神经退行性疾病和癌症等疾病[13]。而蛋白酶体抑制剂作诱导自噬在抗肿瘤药物的研究中已经得到应用，自噬对细胞有双重调节作用，在针对人类致瘤性细胞状态时由蛋白酶体抑制剂诱导表达出促细胞生存作用[14]。蛋白酶体抑制剂通过诱导代偿性蛋白降解机制即自噬以及其他的促存活信号通路，能够抑制癌症细胞的增殖。人的乳腺癌细胞株MDA-MB-231经蛋白酶抑制剂MG132治疗后呈剂量和时间依赖性诱导自噬标志物LC3-II[15]，通过促自噬来保护细胞。黑色素瘤细胞经硼替佐米治疗后激活细胞调亡和自噬通路[16]。硼替佐米在头颈部鳞状细胞癌中通过激活（氨基端激酶）JNK诱导自噬[17]。

2.3自噬对UPS的影响

实验模型中自噬基因缺陷引起的泛素化蛋白质积累，说明自噬能够降解泛素化蛋白质。自噬被抑制引起自噬底物P62的积累，而过量的P62会导致泛素化底物运往蛋白酶体过程受阻[18]，而特异性提高正常细胞的P62水平，则能够造成UPS功能的损伤。抑制自噬-溶酶体系统的功能，同样会引起蛋白酶体功能表达受阻，使蛋白酶体活性下降。P62是一系列信号通路重要的衔接蛋白，在自噬降解泛素化底物过程中和相互作用的乳腺癌1号相邻基因（Neighbor of BRCA1 gene 1，NBR1）一起担任运货受体[19]。P62聚集能够延迟并减少待降解底物被运往26S蛋白酶体[20]，研究表明P62包含有LC3的识别序列，发生突变时会引起泛素和P63阳性包含体形成，由此推测P62在促进自噬降解泛素化蛋白质过程中起到了连接自噬与UPS的重要作用。在一定情况下上调自噬的表达也会损害UPS的功能功能，在体外实验当中利用雷帕霉素诱导自噬能够减弱蛋白酶体抑制剂诱导的细胞凋亡和泛素化蛋白质的积累[21]，自噬增强剂海藻糖能够恢复由蛋白酶体抑制剂造成的神经毒性蛋白质的积累[22]。蛋白降解系统功能缺失能使蛋白质的病理性堆积，引发如神经退行性疾病的发生。诱导自噬则能够抵消蛋白酶体功能受阻导致的多聚泛素蛋白质的积累，但自噬减轻由UPS功能损伤引起的神经毒性机制目前尚不清楚。

3　展望

越来越多的研究结果表明泛素-蛋白酶体系统和自噬-溶酶体系统存在相互作用的关系。更进一步了解两者之间的作用机制能够帮助我们更好的研究和治疗自噬相关疾病，有助于提高蛋白酶体抑制剂在肿瘤研究中的开发应用以及其他蛋白酶体相关药物在更多领域的应用，为我们研究更多疾病的发病机制提供思路。同时，UPS和自噬之间的相互作用关系的研究也存在很多需要我们解决的问题，如自噬是否清除蛋白酶体，以及自噬清除泛素化底物的具体机制。相信在不久的未来越来越多的科研工作者能够给我们带来更新的进展，也为临床研究提供更广泛的数据。

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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）