USP15生物学功能的研究进展

谢 敏，李万颖，洪晓玲，王淑华，张松灵

(吉林大学第一医院肿瘤妇科，长春 130021)

泛素是一种在真核生物中高度保守含有76个残基的多肽,通过一系列酶促反应，其活化的C端可与目的蛋白的赖氨酸ε-氨基结合使其泛素化，也可与另一个泛素的N端α-氨基缀合，形成多聚泛素链[1]。蛋白质泛素化修饰是介导细胞内蛋白质选择性降解的主要路径，参与蛋白质降解的调节、细胞周期调控、激酶活化及细胞信号转导等重要细胞内代谢途径，其主要通过泛素单体或泛素链共价修饰目标蛋白发挥作用，是使蛋白质更为有序、多样的修饰方法[2]。另外，泛素化修饰是可逆反应，其泛素链可被泛素特异性蛋白酶剪切，称为去泛素化，而参与其中的特异性蛋白酶统称为去泛素化酶(deubiquitinases,DUBs)。DUBs对底物和泛素链均具有特异性，使其对目标蛋白的调控更为有序、精确。目前已发现约100个DUBs，可分为6种:泛素C端水解酶家族、卵巢肿瘤相关蛋白酶家族、泛素特异性蛋白酶(ubiquitin-specific protease，USP)家族、Josephin结构域蛋白家族、JAB1/MPN/Mov34蛋白酶家族以及最近新发现的单细胞趋化蛋白诱导蛋白家族[3-4]。其中，最具代表性的为USP家族，而USP15是USP家族的重要一员。USP15具有多种生物学功能，现对其基因定位、结构、细胞内功能、免疫功能、病毒、肿瘤的发生发展等方面的研究进展进行综述。

1 USP15基因定位及结构

人类USP15基因定位于染色体12q14区带，其蛋白质分子由952个氨基酸组成，分子量约为109 200，由催化区域及非催化区域构成，催化区域含有一个保守半胱氨酸盒和一个组氨酸盒，参与构成USP15的部分活性位点，非催化区域由多个功能子域组成，包括具有特异性结合底物蛋白的泛素特异性蛋白酶域和泛素样域[5]。人类USP15包含一个N端泛素特异性蛋白酶域-泛素样域以及一个嵌入在催化域中的泛素样域，USP15、USP11、USP4这3种蛋白因其N端都具有泛素特异性蛋白酶及泛素样结构域而被分为一个亚组(泛素特异性蛋白酶域-泛素样域亚组)，其中，USP4与USP15的结构域同源性高达76%，而USP15与USP11结构域同源性只有39%[6-8]。

2 USP15的细胞内功能

2.1USP15能够调节转录活性 在真核细胞中，组蛋白的翻译后修饰可以调控染色质的结构及功能，组蛋白H2B单泛素化(ubiquitination of histone H2B，UbH2B)是组蛋白尾中一种保守修饰，其与转录、复制及DNA修复有关。Long等[9]研究发现，在转录过程中，UbH2B的E3连接酶RNF20/RNF40复合体与RNA聚合酶相关因子复合物结合，RNA聚合酶相关因子复合物直接与RNA聚合酶Ⅱ结合，催化H2B泛素化并刺激转录延伸。UbH2B可以通过间接或直接作用参与新生链的剪接，在这个过程中，UbH2B从核糖体中游离，使RNA聚合酶Ⅱ能够继续识别DNA模板。而USP15能与游离的非核糖体UbH2B结合，使其去泛素化重新装配于RNA聚合酶Ⅱ延伸后的核糖体上[9]。另外，Fukagai等[10]的研究发现USP15可以参与调节转录因子NF-E2相关因子1(NF-E2-related factor 1,Nrf1)的表达。在生理条件下，Nrf1通过调节蛋白酶体基因的表达来维持蛋白质的稳态，其转录活性受到内质网的隔离以及两个独立的泛素-蛋白酶体通路的抑制，两个通路包括位于细胞质中的泛素连接酶Hrd1(hydroxym-ethylglutary reductase degradation 1)和细胞核中的泛素连接酶β-TrCP(β-transducin repeat containing protein)。研究结果表明，USP15可通过去泛素化作用稳定并激活细胞核中的Nrf1，且USP15的敲低可减少Nrf1诱导的蛋白酶体的表达，这些结果均提示USP15可通过激活Nrf1的表达，从而在转录水平上参与维持蛋白质的稳态[10]。因此，USP15在真核生物的转录过程中发挥重要作用。

2.2USP15维持基因稳定性 在真核生物的有丝分裂过程中，染色质的复制与分离需要精确而复杂的调控，其中拓扑异构酶Ⅱ是不可或缺的一部分。拓扑异构酶Ⅱ在有丝分裂的G2期累积，并在前期作用于相互交织的姐妹染色单体，确保其在后期可以精确地平分到子代细胞中。研究发现，拓扑异构酶Ⅱ的积累需要USP15，且USP15的消耗可以导致后期染色体桥的形成，并在有丝分裂出口处形成微核，阻碍姐妹染色单体分离，导致基因的不稳定性[11]。

2.3USP15参与细胞周期过程 沉默转录因子RE-1也被称为神经元限制性沉默因子，是一种重要的生理性抑制性转录因子，在神经元分化和细胞周期进程中迅速磷酸化、泛素化和降解。Faronato等[12]研究发现，USP15可调节沉默转录因子RE-1的稳定性，沉默转录因子RE-1在有丝分裂后急剧降解，然后在G1早期以依赖USP15的方式快速补充。此外，研究还观察到USP15的表达与细胞周期相关，有丝分裂开始时USP15大量增加并磷酸化，与REST降解一致，随着沉默转录因子RE-1的重新累积，USP15在G1早期去磷酸化[12]。因此，提示USP15可以在细胞周期中表现出时间活性，以促进特定蛋白质的积累。

3 USP15参与免疫反应

3.1USP15调节抗病毒介质Ⅰ型干扰素的生成 病毒进入机体后通过病原体相关分子模式激活免疫反应，其模式识别受体包括Toll样受体、视黄酸诱导型基因Ⅰ(retinoic acid inducible gene-Ⅰ,RIG-Ⅰ)样受体和核苷酸结合寡聚化结构域样受体3[13]。激活的RIG-Ⅰ通过其N端胱天蛋白酶募集结构域招募并激活β干扰素启动子刺激因子1，通过激活一系列下游信号，最终产生Ⅰ型干扰素和炎性细胞因子等抗病毒介质[14]。Zhang等[15]的研究表明，USP15的特异性催化作用使RIG-1中Lys43连接的泛素蛋白链解链，抑制β干扰素启动子刺激因子1的激活，阻断抗病毒介质的产生，同时发现组氨酸862是USP15催化活性的关键残基。研究结果表明USP15可以负调节依赖RIG-1的Ⅰ型干扰素诱导途径，此外，研究进一步分析发现，USP15还可通过其N端DUSP域和C端的USH域与RIG-Ⅰ直接物理结合形成复合体，抑制RIG-Ⅰ发挥功能，进而阻断抗病毒介质的产生[15]。然而，Pauli等[16]的研究发现USP15可以通过改变E3泛素连接酶三基序25的泛素化水平促进RIG-Ⅰ对干扰素的诱导作用。E3泛素连接酶三基序25是一种泛素连接酶，可将泛素链的赖氨酸68连接到RIG-Ⅰ上，使RIG-Ⅰ活化并激活Ⅰ型干扰素的产生[17]，同时，E3泛素连接酶三基序25自身也可被泛素化降解进而抑制RIG-Ⅰ的转导途径。此研究结果表明USP15通过对E3泛素连接酶三基序25去泛素化修饰，阻止其泛素化降解并提高其稳定性，从而促进RIG-Ⅰ介导的抗病毒信号转导通路[16]。

4 USP15参与病毒致病蛋白的调节

4.1USP15提高乙型肝炎病毒X蛋白(hepatitis B virus X，HBX)稳定性 乙型肝炎病毒感染在我国一直居高位，2006—2010年的调查数据显示，我国约有6.9亿人有乙型肝炎病毒感染史，乙型肝炎表面抗原阳性者约有1.2亿人，乙型肝炎病毒感染导致的肝硬化、肝细胞癌以及肝衰竭每年可导致约35万人死亡。HBX在乙型肝炎病毒的复制及肝癌的发生中起关键作用。Su等[19]研究发现，HBX蛋白通过泛素化途径被降解，而USP15为HBX蛋白水平的关键调节剂，可稳定HBX蛋白。同时，研究还明确了USP15通过与HBX蛋白氨基酸残基50～80结合区域结合，去除HBX蛋白上的赖氨酸48连接的多聚泛素蛋白链，从而提高HBX的半衰期和稳定性[19]。另外，吴燕芳[20]研究也表明USP15降低HBX蛋白的泛素化水平，减少其泛素化降解。

4.2USP15调节人乳头瘤病毒(human papilloma virus,HPV)E6蛋白稳定性 HPV感染与宫颈癌的发生发展有着密切联系。E6、E7是HPV的主要致癌基因,其编码的E6、E7蛋白分别干扰p53和成视网膜细胞瘤相关的肿瘤抑制通路，使细胞周期改变，阻止细胞凋亡及分化[21]。Vos等[22]研究结果表明，USP15可提高E6蛋白的稳定性，而泛素化的E6蛋白可能是USP15泛素肽酶活性的底物，但其发挥作用的具体机制还有待进一步探究。另外，Chiang等[23]研究发现，HPV E6蛋白可以通过与USP15、E3泛素连接酶三基序25形成复合物，促使E3泛素连接酶三基序25的泛素化降解，从而减弱RIG-1信号转导通路，阻止抗病毒介质的产生。

4.3USP15在人类免疫缺陷病毒(human immuno-deficiency virus,HIV)复制及病毒蛋白降解中的功能 HIV编码多种病毒蛋白，其中Nef蛋白在获得性免疫缺陷综合征疾病进程和病毒的复制过程中发挥重要作用[24]。Pyeon等[25]研究发现，Nef蛋白与USP15存在相互作用，USP15可通过泛素蛋白酶系统介导Nef蛋白的降解，提示USP15可能被应用于降解HIV感染细胞中的Nef蛋白，从而抑制病毒的复制及疾病进展。另外，研究还发现USP15还可以通过内体及泛素蛋白酶体介导HIV-1结构蛋白Gag降解，抑制HIV-1的复制，但具体的机制尚未阐明。

5 USP15参与肿瘤相关信号通路的调节

5.2USP15通过核因子κB(nuclear factor kappa B,NF-κB)信号转导通路参与肿瘤发生发展 NF-κB属于转录因子蛋白家族，在静息细胞中，NF-κB和核因子κB抑制蛋白(inhibitor of nuclear factor kappa B,IκB)形成复合体，以无活性形式存在于胞质中。当细胞受细胞外信号刺激后，IκB激酶复合体活化将IκB磷酸化，使NF-κB暴露核定位位点。游离的NF-κB移位到细胞核，与特异性κB序列结合，诱导相关基因转录，参与细胞增殖，凋亡及肿瘤生长抑制过程。Schweitzer等[33]的研究发现，USP15参与调节NF-κB通路，通过抑制CRL(cullin-RING ligase)/SCF-TrCP(Skp1-cullin-1-F-box protein-ubiquitin ligase complex)对IκB的泛素化降解，使IκB再累积并稳定,从而抑制NF-κB通路[33]。

5.3USP15参与p53信号通路传导 p53是抑癌蛋白的一种，主要参与细胞的凋亡过程，在DNA损伤修复，干细胞分化、细胞代谢等过程中同样存在重要作用，抑制癌症的发生[34]。MDM2是泛素化过程中E3连接酶的一种，MDM2蛋白的过表达，参与基因的复制、转录及转录前过程，与多种肿瘤的发生有关，且与抑癌蛋白P53的泛素化降解相关[35]。有研究表明，USP15在黑色素瘤及结直肠肿瘤中过度表达，通过增加MDM2的稳定性降低p53的表达，从而抑制肿瘤细胞的凋亡。此研究结果还发现，USP15在抑制肿瘤细胞凋亡过程的同时，抑制抗肿瘤T细胞的免疫应答反应，对于临床应用方面有重要意义[2]。

6 展 望

DUBs可逆性调节泛素-蛋白酶体途径中的蛋白质降解，调节多种重要的细胞活动，是转录、膜蛋白转运、核转运、自噬及免疫应答反应的关键调节因子。值得关注的是，DUBs的异常修饰或表达与多种疾病的发生发展有关，但尚缺乏机制研究。其中，USP15作为研究较为深入的DUBs，已被发现在多种疾病的发生过程中存在重要作用，USP15可以通过调节TGF-β、NF-κB、p53等信号通路参与肿瘤的发生发展，包括乳腺癌、结肠癌、胶质细胞瘤、卵巢癌及黑色素瘤等。另外，在一些病毒感染后，USP15也可通过直接或间接作用于病毒蛋白发挥抗病毒功能，其中，USP15可以增加HPV E6蛋白的稳定性，但其在HPV感染的宫颈细胞中呈低表达，提示其可能在HPV的致癌过程中起一定作用。总之，随着研究的深入，USP15会有更多的生物学功能被发现，明确其作用机制及调节机制将成为未来研究的重点，对于日后肿瘤及免疫方面的多种疾病的病因及治疗方面的研究和探索具有重要意义。另外，以USP15作为治疗疾病的分子靶标或疾病相关的标志物将会有更广阔的价值及应用前景。