去泛素化酶及其相关通路与疾病的研究进展

黄晓悦，全裕凤

（桂林医学院，广西 桂林）

0 引言

蛋白质翻译后修饰（post-translational modification，PTM）在生命体的基因表达、信号转导、细胞分裂等基本活动中均具有十分重要的作用[1]。蛋白质泛素化（ubiquitination）是一种常见的蛋白质翻译后修饰[2]。泛素-蛋白酶体途径 （ubiquitin-proteasome pathway，UPP）是一种依赖ATP 进行的，具有特异性和选择性的细胞内蛋白质降解途径，其主要通过作用于细胞内一些短寿蛋白和一些结构异常、错构或受损伤的蛋白，以共价结合的形式联结多个泛素（ubiquitin）分子，形成靶蛋白多聚泛素链即泛素化（ubiquitination）后，底物将被输送到26S 蛋白酶体上消化降解[3]。这一途径参与并调控了真核生物体内众多重要的生命活动，除了调控细胞周期、免疫应答、基因转录、细胞受体功能、炎症反应等过程[4]，UPP 还参与了多种疾病发生发展的过程，如高氧肺损伤[5]、视网膜发育不良[6]、乳腺癌[7]、神经退行性病变[8]等。

去泛素化酶（deubiquitinating enzymes， DUB）的存在使泛素化修饰成为一个被严格调控的可逆过程。去泛素化酶可通过切割多聚泛素链或者从修饰的底物蛋白中去除泛素，逆转泛素化过程，起到去泛素化的作用，逆向调节了蛋白降解途径，从而影响了细胞内蛋白质的功能。去泛素化酶可以影响或调节众多细胞生物学过程，如细胞的基因表达、生长发育、细胞周期、信号转导、神经病变或肿瘤的发生等[9]。

1 去泛素化酶的分类

去泛素化酶是一类数量众多的蛋白酶家族，根据其催化结构域的不同，主要分为以泛素特异性加工酶家族和泛素羧基末端水解酶家族为主的6 个亚家族[10]，包括泛素-特异性蛋白酶家 族（ubiquitin-specific proteases，USPs）、泛 素 羧 基 末 端 水 解酶家族（ubiquitin C-terminal hydrolases，UCHs）、卵巢肿瘤蛋白酶家族（ovarian tumor proteases，OTUs）、MJD 结构域蛋白酶家族（Machado-Josephdisease protein domain proteases，MJDs）、MINDY 蛋白酶家族（MIU-containing novel DUB family）和JAMM蛋白酶家族（JAB1/MPN/MOV34 proteases），其中，除JAMM 是锌金属肽酶外，其余5 个去泛素化酶家族均为半胱氨酸肽酶[11]。

2 去泛素化酶的作用机制

去泛素化酶通过修剪泛素链或从修饰底物中特异性去除泛素来调节泛素信号[12]，其主要作用于泛素-蛋白酶体系统中泛素化修饰后的蛋白底物，通过识别泛素分子、蛋白底物或者蛋白酶体的特异性序列，水解聚泛素链，将泛素蛋白从靶蛋白上解离出来，重新进入细胞内蛋白调节的循环中[13]。DUB 除了能特异性识别泛素分子的羧基末端，还可与泛素疏水区周围的大片区域相互作用，从而将底物上的泛素分子释放出来。它还可抑制E3 连接酶的连接功能，主要是通过切割靶蛋白上的赖氨酸残基与泛素的C 末端之间的肽键连接来实现的，影响了底物与泛素链的连接，以达到去泛素化的目的，从而增强了蛋白底物的稳定性[14]。此外，与一些特异性蛋白的结合可以使去泛素化酶间接激活，而这些特异性蛋白可引导去泛素化酶进入特别的途径或者帮助它们定位于特异性位点，从而达到逆转蛋白质降解的目的[9]。由于去泛素化酶家族种类及其功能的复杂性，其具体的作用机制未十分明确，仍需我们不断的研究。

3 去泛素化酶相关信号通路及疾病

3.1 Wnt/β-catenin 信号通路

Wnt 信号通路作为一条高度保守的信号转导通路途径，参与了动物个体发育各阶段及发育成熟器官的病理生理过程的调节，其中包括了胚胎的生长发育、组织结构的稳定、能量代谢的平衡以及干细胞的维持等过程，Wnt 信号通路的异常激活与人类多种重大疾病有着密不可分的联系[15]。β-catenin 作为经典Wnt 信号通路的关键因子，其在胞质内富集并向细胞核内转移是Wnt 信号通路活化的标志。正常情况下，体内β-catenin 含量的稳定可通过泛素-蛋白酶体途径来维持。当去泛素化酶表达增加时，就会导致β-catenin 含量增加，从而导致相关疾病的发生。例如，转录因子Tcf/lef 家族介导Wnt/β-catenin 通路，参与脊椎动物胚胎发生和翻译后修饰等生物学过程。泛素羧基末端水解酶家族中的UCH37与转录因子7 特异性结合，并使其去泛素化，激活Wnt/β-catenin信号传导途径，从而使β-catenin 含量增加，进而导致细胞增殖异常及肿瘤的发生[16]；USP7 也可以通过对β-catenin 去泛素化，在Wnt 信号传导中起积极作用，促进结直肠肿瘤的生长[17]，而其特异性抑制剂P5091 可通过增强β-catenin 的泛素化和亚序列降解而减弱Wnt 信号途径转导的能力，抑制了结直肠癌细胞的增殖并诱导凋亡[18]。另有研究表明，高氧暴露早期大鼠肺组织中泛素-蛋白酶途径被激活，并参与了肺损伤过程[5]，而以β-catenin 为中心的Wnt/β-catenin 信号途径也被证实了参与支气管肺发育不良（bronchopulmonary dysplasia，BPD）的发生[19]。

3.2 TGF-β 信号通路

转化生长因子β （transforming growth factor-β， TGF-β）是一类具有多种生物学活性的细胞因子， TGF-β 信号通路在调节胚胎发育、细胞增殖和凋亡、免疫应答、伤口修复等过程中均起着关键性作用。通常情况下，TGF-β 在肿瘤组织中的表达量较正常组织升高[20]。TGF-β 信号通路与去泛素化酶密切相关，绝大多数的DUB可以通过减少相关分子的降解，使得TGF-β 的浓度维持在一个高水平，从而导致了肿瘤的发生和转移。如，USP15 是TGF-β 受体（TGF-β receptor，TβR）的去泛素化酶，是TGF-β 信号通路的关键组成部分。USP15 的高表达与TGF-β 高活化相关，在胶质母细胞瘤、乳腺癌和卵巢癌中均发现了USP 15 基因过度表达。在患有胶质母细胞瘤的个体中，USP15 过度表达提示了预后不良的可能。胶质母细胞瘤患者源性原位小鼠模型中，下调或抑制USP15 可降低TGF-β的活性。此外，由于TGF-β 信号的抑制，USP15 的消耗降低了源自患者的神经胶质瘤引发细胞的致癌能力。结果表明，USP15 通过调节TGF-β 通路，是胶质母细胞瘤发病机制的一个关键因素[21]。另有研究表明，Smad 特异性E3 泛素蛋白连接酶2（SMURF2）是USP15 在TGF-β 通路中的关键靶点。USP15 不仅可以直接靶向作用于TβR；还能使SMURF2 去泛素化后在接触反应中失活，TβR 的稳定性得以提高；两者共同作用提高了TGF-β 受体含量，与肿瘤的形成有着密不可分的关系[22]。但并非所有的去泛素化酶都会对肿瘤的发生起促进作用，其中有一小部分可抑制肿瘤的发生。肿瘤抑制因子（cylindromatosis，CYLD）就是其中之一，它作为Wnt/β-catenin和NF-κb 信号传导途径的负调节因子，对多发性骨髓瘤（MM）细胞的增殖和存活有抑制作用，为治疗MM 提供了一个靶点[23]。此外，CYLD 还是Smad 的一种去泛素化酶，而Smad7 又作为TGF-β 通路的负性调控因子，因此CYLD 水平的改变对癌症的发生发展存在一定的意义[24]。TGF-β 通路的异常活化，还可导致纤维性病变的发生，南玲[25]研究发现：去泛素化酶家族中的UCH-L5 能使Smad2、Smad3 蛋白去泛素化，增强TGFβ-1 信号通路转导，促进了肺纤维化；而UCH-L5 抑制剂b-AP15 则能够减弱TGFβ-1 信号转导，从而减轻博来霉素诱发的肺纤维化小鼠肺纤维化程度。因此，推测UCH-L5 可能是治疗特发性肺纤维化新的治疗靶点。

3.3 Akt 信号通路

蛋白激酶B（protein kinase B， Akt） 是一种丝氨酸/苏氨酸特异性蛋白激酶，是胰岛素等生长因子的重要细胞内信号转导体，在葡萄糖代谢、细胞的增殖、代谢、转录、迁移和凋亡、血管生成、肿瘤侵袭等多种过程发挥重要作用[26]。UCH-L1 可以提高细胞的生存、迁移和增殖能力，除了在神经元中高表达外，还在人类多种癌细胞中都存在高表达现象。研究表明，UCH-L1 通过提高Akt 信号通路的表达来促进癌细胞的生长[27]。

3.4 NF-κb信号通路

核因子κB （nuclear factor kappa B，NF-κB）是转录因子蛋白家族中的一员，普遍存在于多种组织细胞中，是重要的诱导性转录因子。除了参与机体正常的免疫反应、炎症级联反应、氧化应激、细胞生长、增殖和凋亡等生理过程外，NF-κb 还与哮喘、（类）风湿性关节炎、心血管疾病、神经退行性疾病及癌症等疾病有着密切联系。锌指蛋白A20 是炎性反应的内源性调控蛋白和组织细胞保护性蛋白，其抑制NF-κb 信号通路的作用主要是通过阻止NF-κb 信号通路上游因子的泛素化过程来实现的[28]。朱晓丹等[29]研究表明，若A20 基因表达受抑制，则可致肺泡巨噬细胞NF-κB 活性升高，从而使TNF-α、IL-1β 表达及分泌增加；反之，当A20 基因过表达时，肺泡巨噬细胞NF-κb 活性则被抑制，TNF-α、IL-1β 表达和分泌减少；A20 蛋白可以通过抑制肺泡巨噬细胞炎症反应活性，进而减轻了肺损伤。OTUs 中的OTUD7B（又称Cezanne）能通过对肿瘤坏死因子受体相关因子3 去泛素化作用，从而阻止异常的非经典NF-κb 途径激活[30]。当OTUD7B 被沉默后，肿瘤坏死因子受体相关因子6 活动增强，NF-κb 信号通路活化从而促使炎性基因表达。因此，抑制TRAF6 泛素化的分子机制是减少缺氧组织炎症的潜在治疗靶点[31]。

4 前景与展望

蛋白质去泛素化与泛素化的动态平衡与稳定，在机体众多生命活动的过程中扮演了一个相当重要的角色。近年来研究相关疾病与Dubs 之间的关系已成为热点。Dubs 在蛋白质转换、定位和细胞内稳态等多种细胞过程中具有重要的作用，是一种很有前途的治疗靶点。但其致病机理及其疾病的发展中具体机制尚未十分明确，仍需我们进一步深入研究。因此，研究Dubs 及其相关通路与疾病的关系，有望研究出一些有效的治疗靶点和药物，可能为疾病的治疗和预防提供新的线索。