α-synuclein与蛋白降解系统的相互作用关系*

徐晶 蔡增林

有研究表明α-synuclein和帕金森病（PD）有密切的关系。然而，α-synuclein在神经元内的降解方式仍然是有争议的。泛素-蛋白酶体系统（UPS）以及自噬溶酶体途径（ALP）（主要大自噬和分子伴侣介导的自噬CMA）是降解α-synuclein的两种主要途径。老化可以使UPS和ALP活性下降对神经变性疾病具有重要的致病作用。这些主要的蛋白水解途径的改变可能会导致α-synuclein由于清除受损而聚集。

相反地，α-synuclein的增加可能进一步损害UPS或ALP。研究与水解途径相关的调节因素对治疗PD和相关α-synuclein病具有重要作用。

1 α-synuclein 的主要降解通路

1.1 泛素-蛋白泛素酶体系统（UPS）UPS主要降解短寿蛋白质，包括两个不同的和连续的步骤。第一步骤高度保守的76个氨基酸残基泛素与表面暴露的赖氨酸残基底物蛋白共价附着，泛素化是通过三个的级联步骤，分别通过泛素活化酶（E1）、泛素结合酶（E2）和泛素连接酶（E3）催化完成。泛素与底物结合以后，通过连续地向底物转移泛素分子产生多聚泛素链[1-3]。在第二步骤中，UPS的蛋白水解核心26S蛋白酶体复合物识别多聚泛素链，并将底物降解游离寡肽和可重复使用的泛素。泛素分子的转移是由泛素循环的酶介导的[4]。26S蛋白酶体包括两个多聚蛋白复合物，起水解作用的20S桶状核心颗粒及具有调节功能的两个19S颗粒[5-7]。蛋白酶体调节由19S复合物的ATP酶亚基严密控制[8]。

1.2 自噬溶酶体途径（ALP）ALP主要降解长寿蛋白质及废弃细胞器。在溶酶体，细胞质组分的降解通过三个亚型自噬途径实现：小自噬、大自噬和分子伴侣介导的自噬（CMA）。小自噬的细胞成分（包括细胞器、脂类或蛋白质）是通过内陷在溶酶体膜进入囊泡完成。大自噬由3个连续的步骤：（1）形成的自噬泡AV，其中包括起始、成核、货物识别、扩展和完成；（2）成熟、运输、AV和溶酶体融合；（3）溶酶体蛋白酶降解。CMA是高度选择性的机制，细胞质蛋白识别特定的的五肽基序KFERQ或由伴侣和共伴侣分子复合物[9]。接着，它们被易位到溶酶体膜，并与溶酶体膜上蛋白复合物溶酶体相关膜蛋白2A型（LAMP-2A）结合，最后进入溶酶体从而降解[10]。

1.3 α-synuclein降解的主要通路 有越来越多的有关α-synuclein的降解的研究，目前对降解α-synuclein确切机制仍存在争议。在体外分离的纯化的体系中，UPS和ALP都能够降解重组α-synuclein[11-12]。然而，α-synuclein将由UPS或ALP降解目前仍然令人费解。PD遗传相关的基因编码的Parkin和UCH-L1蛋白与UPS相关[13-14]。很多分子、细胞和动物实验表明，这些基因与UPS清除α-synuclein有关，提示了在帕金森病中，UPS对降解α-synuclein具有关键作用[15-16]。初始研究表明，在某些情况下，α-synuclein以多泛素化的形式存在，在抑制蛋白酶体的神经元细胞积累，这表明在UPS负责α-synuclein降解[17]。随后在神经细胞中研究表明，蛋白酶体可降解非泛素化α-synuclein[18]。Machiya等[19]研究α-synuclein在Ser129位点磷酸化可迅速通过泛素-蛋白酶体途径降解，表明路易小体中Ser129位点磷酸化的α-synuclein可由UPS通路降解，在这项研究中，通过抑制蛋白酶体，只有磷酸化的而不是所有非折叠的α-synuclein都由UPS降解。

其他的研究，通过抑制蛋白酶体，都没有检测到内生及过表达的α-synuclein的聚集[20]。因为α-synuclein的寡聚形式只能由ALP但不是由UPS被清除[21]。CHIP（HSP70的C末端相互作用蛋白）作为一个决定起始分子参与UPS和ALP途径，可与人受试者中路易小体中的α-synuclein和热休克蛋白共定位[22]。同样，证实蛋白水解酶抑制剂的存在，由E3泛素连接酶SIAH导致的单泛素化α-synuclein的聚集和形成的有毒物体显著增加[23]，有报道指出，去泛素酶USP9X在体内和体外都可以与α-synuclein相互作用并使其去泛素化。Ruth等[24]研究发现，USP9X调节α-synuclein的蛋白酶体和自噬系统降解更支持后者。在没有蛋白酶水解损害时，单泛素化的底物蛋白多由UPS降解，而去泛素化的底物蛋白几乎完全由ALP降解。在路易体痴呆（DLB）和PD患者的黑质组织中USP9X胞质水平减少，表明去泛素活性减低，在路易小体中单泛素化α-synuclein的聚集[24]。Tofaris等[25]也研究表明，E3连接酶Nedd4经由内体途径参与α-synuclein的降解，并推测此途径特异降解蛋白膜相关α-synuclein，而自噬降解寡聚形式的α-synuclein。体内研究支持UPS参与α-synuclein的降解，表明去除26S的Psmc1亚基有条件在黑质或前脑去除蛋白酶，导致神经元胞质内LB状包体泛素化免疫反应的和α-synuclein聚集和广泛的神经退行性疾病。这表明UPS是α-synuclein蛋白水解的重要途径[26]。最近，研究表明在活鼠的大脑退化中，UPS和ALP对于α-synuclein的降解具有不同的作用。用UPS及ALP的药物抑制剂及在不同的α-synuclein转基因鼠模型中的多光子成像研究表明，降解α-synuclein途径依赖于细胞内的蛋白质的聚集。UPS在正常条件下降解α-synuclein，而ALP在α-synuclein水平升高的病理条件下起作用。推测细胞内α-synuclein水平的调节UPS及ALP降解途径之间的关系[27]。

降解α-synuclein一个最主要的途径是通过CMA与大自噬的溶酶体途径，自噬溶酶体途径的缺陷可以导致帕金森病发生。Rubinsztein研究发现，α-synuclein位于神经元溶酶体内，通过使用大自噬抑制剂可以减少与PD相关基因突变的α-synuclein而不是野生型α-synuclein[25]。有实验研究发现通过bafilomycin抑制溶酶体导致了可溶性低聚，而不是泛素化α-synuclein及过表达的野生型α-synuclein的原纤维形式在神经元细胞内聚集[28]。大自噬对一些物种中α-synuclein的降解具有重要作用，诱导大自噬的可能对治疗帕金森病具有重要意义。最近的研究发现生理条件下α-synuclein以四聚体形式存在减少了其聚集倾向，而与PD有关的（A30P、E46K和A53T）显着降低了四聚体的稳定性和增加了α-synuclein单体[29]。

2 α-synuclein对蛋白降解系统的影响

此外，越来越多的证据表明，在α-synuclein疾病模型中溶酶体功能障碍，包括大自噬以及CMA缺陷，以自噬泡数量的增加为特征[30]。此外，帕金森病的另一个重要的危险因素是老龄化，α-synuclein的蛋白质含量在老年人黑质中显著升高，而UPS和ALP活性随年龄增长均降低[31]，表明了老龄化在疾病进展过程中，可导致蛋白水解系统障碍。在细胞内降解途径的缺陷是α-synuclein疾病的的主要原因，通过异常聚集α-synuclein导致的降解途径的缺陷还有待研究。

2.1 α-synuclein导致UPS功能障碍 在体外，无论是在纯化的蛋白质或在细胞培养研究中，都表明突变或野生型α-synuclein的表达，特别是可溶性寡聚体和聚集体的构象，抑制20S或26S蛋白酶体的活性[32]。为了探索α-synuclein影响蛋白酶功能的作用机制，了解α-synuclein的特性在研究UPS功能障碍具有重要作用[33]。有研究结果表明，特定低聚α-synuclein可能通过相互作用功能靶向损害26S蛋白酶体[33]。此外，从150 kDa到450 kDa的少量α-synuclein，以及单体的或重组的α-synuclein，可以特异性与26S蛋白酶体作用。到目前为止，α-synuclein和26S蛋白酶体之间的相互作用仍有待研究。一种可能性是α-synuclein低聚体与20Sβ亚基的活性位点的直接结合[34]，虽然这低聚体将通过一个狭窄的开放-门控通道易位。另外，α-synuclein低聚体可以与19S结合，使UPS通路障碍。α-synuclein低聚体与19S结合，将导致19S功能异常。或者，α-synuclein寡聚体诱导空间构想改变，抑制与蛋白酶体与其他底物的进一步相互作用。低聚物与蛋白酶体功能障碍有关，并选择性地被蛋白酶体降解[35]。

2.2 α-synuclein导致ALP功能障碍 在一些细胞和动物模型研究中，胞质α-synuclein的聚集与大自噬和CMA功能障碍有关[36]。之前有研究表明，在PC12细胞中，A53T突变α-synuclein诱导自噬泡聚集，在这些细胞中溶酶体酸化显著降低[37]。还有文献[32]报道，仅野生型α-synuclein单体和二聚体，但不是寡聚体，通过CMA被降解，而氧化的和硝化蛋白通过CMA降解受抑制。相反，磷酸化和多巴胺修饰蛋白几乎完全阻止了CMA依赖性降解[38]。另外，Rubinsztein研究表明野生型α-synuclein通过与Rab1a的相互作用，可以抑制早期自噬体形成。除了α-synuclein异常间接诱导大自噬及CMA障碍也可通过CMA依赖的蛋白直接破坏导致神经功能障碍而死亡[38]。总之，病理α-synuclein与自噬溶酶体途径之间有相互关系，其具体机制还有待被研究。

在特发性PD和相关α-synuclein病发病的主要因素是α-synuclein的聚集，转录增强，降解减弱，或特定的翻译后的改变都可使其聚集并具有毒性。α-synuclein的降解至今仍存有争议。笔者推测，α-synuclein的降解可能与总蛋白负担、α-synuclein蛋白聚集状态、特定细胞类型的体内平衡环境及致病过程各阶段有关。α-synuclein和细胞内蛋白水解系统通过自反馈相互作用导致神经变性。通过对α-synuclein降解途径的研究，可以为治疗帕金森提供新的治疗策略。

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