线粒体Lon蛋白酶的生理作用研究进展

肖磊，潘佳滢

（沈阳师范大学 生命科学学院，辽宁沈阳 110034）

细胞中由于基因突变或错误折叠、受损及氧化的蛋白，最终均会被降解或者消除[1]。在细胞质、细胞核和内质网中，通常由蛋白酶体将以上蛋白降解或消除，而在线粒体中则需要溶酶体自我吞噬或者降解蛋白，如Lon蛋白酶等完成这一工作，以维持线粒体的稳态[2]，其中通过降解蛋白进行降解或消除是主要途径[3]。Lon蛋白酶在蛋白质质量控制和缓解线粒体氧化应激过程中都发挥着重要作用[4]。

1 Lon蛋白酶对线粒体蛋白的特异性降解

1.1 对线粒体乌头酸酶的特异性降解

线粒体乌头酸酶（Mitochondrial Aconitase，ACO2）是一种线粒体必需酶，对氧化十分敏感。ACO2的活性水平可以标记和反映线粒体内的氧化应激（Oxidative Stress，OS）以及氧化还原的水平。在Lon蛋白酶的诸多底物中，ACO2是最有特征的一种，该酶作为三羧酸（Tricarboxylic acid，TCA）循环的调节酶，能够催化线粒体TCA循环中的顺乌头酸酶（cis-Aconitase），并将柠檬酸异构化为异柠檬酸[5]。

Lon蛋白酶过表达会降低ACO2的水平和活性[6]。在严重氧化的情况下，Lon蛋白酶的可利用性下降，引起被氧化的ACO2积累，从而导致线粒体功能障碍和细胞凋亡[7]。

1.2 对线粒体硫氧还蛋白的特异性降解

硫氧还蛋白（Sulfiredoxin/Thioredoxin，Srx/Trx）作为一种氢载体蛋白，参与氧化还原信号转导在内的许多重要生物学过程且发挥关键作用。大多数哺乳动物在能量代谢和类固醇激素合成过程中线粒体内会产生大量的过氧化氢（H2O2），且H2O2能够释放到细胞质基质中[8]。

线粒体中有几种可以消除H2O2的酶。过氧化物酶系PeroxiredoxinⅢ（Prx Ⅲ）是大多数类型细胞线粒体中最丰富、消除H2O2最有效的酶，这一过程会导致Prx Ⅲ-SO2H的积累，当一定量的Prx Ⅲ失活，线粒体中的H2O2将会释放到细胞质基质中，触发信号通路。细胞质中的Trx进入到线粒体中，与PrxⅢ-SO2H紧密结合并将其还原成Prx Ⅲ-SH。由于Prx Ⅲ-SO2H的含量下降，Lon蛋白酶降解Trx至基础水平[9]。

2 Lon蛋白酶与缺氧/缺血应激

Lon蛋白酶可以降解线粒体基质内被氧化的蛋白，所以在应对缺氧或缺血等氧化应激的过程中起到关键作用。细胞色素c氧化酶（Cytochrome c Oxidase，CcO）复合物Ⅰ、ⅠⅤi、Ⅴb型亚基在缺氧和心肌缺血-再灌注时被PKA磷酸化[10]，CcO活性被破坏，导致增加活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）生成。在缺氧条件下，缺氧诱导因子（HIF-1α）上调，与Lon蛋白的启动子结合使Lon基因上调，促使Lon蛋白酶降解CcO亚基，从而在低氧条件下赋予酶最佳活性[11]。

Lon蛋白酶上调，能够防止蛋白质和脂质的氧化损伤，保持线粒体氧化还原的平衡，能够减少线粒体复合物I的水平，减轻心脏损伤。研究表明，心脏缺血预处理（IPC）后的小鼠心脏中Lon蛋白酶1（LonP1）转录组和蛋白表达水平显著上调，LonP1过表达3～4倍的小鼠的心脏梗塞面积显著减小，凋亡减少[12]。

3 Lon蛋白酶与疾病

3.1 Lon蛋白酶与帕金森综合征

线粒体受损后，不断产生并积累大量有毒的ROS，引起帕金森氏病（Parkinson Disease，PD）[13]。ROS的产生引起蛋白质氧化可能是PD发病机理中的关键。线粒体产生的ROS增多会促进Lon蛋白酶表达，以应对氧化损伤。但是，蛋白酶的活化不足以降解积累在线粒体中的所有羰基化蛋白质，所以在氧化应激增强的情况下，Lon蛋白酶可能容易失活，从而导致线粒体功能障碍和神经细胞死亡[14]。线粒体损伤不会永久产生大量的ROS，线粒体LON-ClpP蛋白质量控制轴能够通过降解线粒体复合物Ⅰ的ROS生成域来抑制ROS的生成[15]，例如有研究发现PD患者脑中线粒体复合物Ⅰ活性选择性缺失[16]。

3.2 Lon蛋白酶与CODAS综合征

CODAS综合征是一种罕见的常染色体隐性发育障碍，与线粒体Lon蛋白酶的功能障碍有关，其特征是脑、眼、牙齿、耳廓和骨骼异常[17]。在CODAS综合征中，Lon蛋白酶降解部分蛋白质底物的过程会受到破坏。在3种不同类型的细胞中抑制Lon蛋白酶基因的表达，发现mtDNA编码的CcOⅡ型亚基（MT-CO2）上调，这表明MT-CO2是Lon蛋白酶的底物。在CODAS细胞中观察到MT-CO2的不溶性和聚集性[18]。Lon蛋白酶表达的改变导致细胞代谢发生改变，从呼吸代谢转变为糖酵解，而这通常发生在癌细胞中。Lon蛋白酶的突变可能会破坏其分子伴侣的特性，从而引起CODAS综合征。

4 结语

Lon蛋白酶在蛋白质量控制及选择性降解蛋白方面的作用非常重要，Lon蛋白酶水平的升高能够加快降解线粒体中与ROS相关的蛋白，以减少氧化应激损伤及缺血-再灌注对心脏的损伤等。在PD、CODAS等疾病中，虽然ROS增多会增加Lon蛋白酶的活化，但是Lon蛋白酶无法消除其带来的不良影响，甚至会导致自身的失活。Lon蛋白酶表达的改变可能会使细胞代谢发生改变，这为寻找及研究Lon蛋白酶在与ROS相关疾病中的作用提供了研究方向。