去泛素化酶在炎症性肠病中的研究进展

2024-01-18吕薇祁全宋佳希胡雪玲章金春

中国现代医生 2023年34期

吕薇，祁全，宋佳希，胡雪玲，章金春

南京中医药大学附属南京中医院医学检验科，江苏南京 210022

泛素化-去泛素化修饰可调节细胞中蛋白质的定位、功能并降解蛋白质，参与胞内信号传递、基因表达调控、细胞增殖、炎症免疫等生命活动的调控[1]。去泛素化酶是蛋白酶的超家族之一。根据催化机制，去泛素化酶分为半胱氨酸蛋白酶和金属蛋白酶两类，其在调节泛素信号传导中至关重要，并与癌症、中枢神经系统疾病、自身免疫疾病和感染性疾病等相关[2]。

1 炎症性肠病及其免疫调节

炎症性肠病（inflammatory bowel disease，IBD）是慢性、非特异性、肠道炎症性疾病，包括克罗恩病和溃疡性结肠炎[3]。IBD主要由肠道免疫系统失调、微生物群紊乱和肠道上皮屏障功能障碍引起，其临床表现主要为腹泻、腹痛和直肠出血等。多数患者病情反复发作，可引发肠穿孔、肠梗阻和肠癌等疾病。目前，IBD的致病性和病理学机制尚不明确，且缺乏有效治疗药物。

在IBD的发病机制中，先天性免疫和适应性免疫发挥重要作用。先天免疫细胞可抵御病原体和肠道微生物的过度进入，同时保持对常驻肠道微生物群的免疫耐受性。肠道先天免疫细胞可产生快速和非特异性反应作为一线反应；先天免疫细胞可通过产生细胞因子和趋化因子、激活补体级联反应和吞噬作用或呈递抗原，激活免疫应答介导宿主防御反应、炎症和组织愈合。适应性免疫应答通过B细胞或T细胞特异性激活，主要介导体液免疫和细胞免疫。免疫细胞主要有细胞毒性T细胞、效应T细胞、调节性T细胞、辅助性T细胞和分泌抗体的B细胞[4]。此外，免疫细胞通过分泌促炎细胞因子和抗炎细胞因子等多细胞因子调节肠道稳态[5]。

2 泛素化修饰

泛素、泛素活化酶E1、泛素结合酶E2、泛素连接酶E3和去泛素化酶参与蛋白质的泛素化过程。泛素化是泛素分子在一系列特殊酶的作用下，识别靶蛋白，并对靶蛋白进行特异性修饰的过程[6]。在三磷酸腺苷供能的情况下，泛素活化酶E1与泛素形成硫酯键，使泛素与泛素结合酶E2结合，在泛素连接酶E3的作用下，泛素的羧基端与底物蛋白上的赖氨酸残基形成异肽键，对底物蛋白进行泛素化修饰[6]。

泛素是一种高度保守的含有76个氨基酸残基的蛋白质。根据泛素分子内的赖氨酸残基，至少可形成7种赖氨酸泛素链，包括K6、K11、K27、K29、K33、K48和K63[7]。此外，将泛素的C端甘氨酸链接到另一个泛素的N端甲硫氨酸可形成线性泛素链M1[7]。蛋白酶体是一种多亚基复合物，可募集蛋白质并水解泛素修饰底物，该过程在细胞信号传导、转录调节和蛋白质稳态中起关键作用[8]。泛素化是一个可逆的过程，底物上的泛素链可通过去泛素化酶去除并水解成单个泛素分子，该过程称为去泛素化，在维持泛素系统平衡、限制信号传导以避免信号通路过度激活等方面起关键作用[9]。

3 去泛素化酶的种类与功能

去泛素化酶分为半胱氨酸蛋白酶家族和金属蛋白酶家族两大类。半胱氨酸蛋白酶包含泛素羧基末端水解酶、泛素特异性蛋白酶（ubiquitin specific protease，USP）、卵巢肿瘤相关蛋白酶（ovarian tumor-related protease，OTU）、Machado-Joseph结构域蛋白酶、单核细胞趋化蛋白诱导蛋白（monocyte chemotactic protein-induced protein，MCPIP）等。金属蛋白酶家族只包含MPN（+）/JAMM蛋白酶家族。USP是最大的去泛素化酶家族，在细胞周期、信号传导、DNA损伤修复、染色体易位、基因转录、自噬、内吞和细胞凋亡中发挥调节作用[10]。USP的异常表达或活性阻断通常会导致组织发育异常，甚至引发一系列疾病[11]。

4 去泛素化酶与IBD

泛素化和去泛素化异常可引发癌症、代谢综合征、神经退行性疾病、自身免疫疾病、炎症性疾病、感染和肌肉营养不良等多种疾病[12]。去泛素化酶及其介导的泛素化和去泛素化修饰在IBD发病机制中发挥重要作用[13]。

4.1 USP家族与IBD

在IBD患者的结肠中，核因子κB（nuclear factorκB，NF-κB）信号通路在促炎因子基因表达、调节炎症小体、激活炎症T细胞和先天免疫细胞分化中发挥重要作用[14]。其关键激酶IKKβ通过选择性识别其下游底物p105、p65、IκBα等，参与多种病理生理过程，但上述底物的具体作用机制尚不明确。

CYLD是一种USP家族的去泛素化酶，CYLD基因突变会引发家族性圆柱瘤病。在结肠炎相关肿瘤模型中，CYLD缺陷小鼠易发生结肠炎症，伴有组织学损伤、白细胞浸润、发育不良及肠上皮黏膜溃疡增多等。在CYLD基因缺陷小鼠中，先天性免疫和适应性免疫因子被激活后，B细胞、T细胞和髓系细胞中的NF-κB和c-Jun氨基末端激酶活性增强，肿瘤坏死因子受体相关因子2和NF-κB必需调节剂的泛素化增加，CYLD通过调节体内泛素化来制约炎症和肿瘤的发生[15]。在严重炎症模型中，CYLD介导的炎症小体NLRP6的K63连锁去泛素化可负向调节NLRP6-ASC依赖的炎症小体活化和白细胞介素（interleukin，IL）-18生成，从而抑制肠道炎症[16]。在免疫信号传导中，USP7通过稳定NF-κB促进炎症信号传导；在适应性免疫反应期间，USP7通过促进蛋白质的去泛素化、增加稳定性促进肿瘤逃逸；此外，USP7在促进调节性T细胞和效应T细胞的抑制功能中起关键作用[17]。

研究证实，IBD患者结肠巨噬细胞中USP16高表达，条件性敲除USP16基因的IBD小鼠的炎症程度降低[18]。在小鼠结肠炎模型中，与野生型小鼠相比，USP47基因敲除小鼠更易患急慢性结肠炎，炎症细胞因子表达更高，肠组织损伤更严重[19]；USP47通过肠上皮细胞中K63连接的多聚泛素化肿瘤坏死因子受体相关因子6的去泛素化调节肠道炎症[19]。

转录因子的泛素化修饰可调控肠道中免疫细胞的比例和功能。T细胞特异性USP8缺陷小鼠易发展为结肠炎，USP8主要与叉头盒转录因子O1介导的细胞因子受体IL-7Rα的上调有关[20]。肠道中缺乏USP9X的小鼠表现出肿瘤抑制因子F-box和WD40重复域（F-box and WD repeat domain-containing 7，Fbw7）表达减少，而肿瘤抑制因子Fbw7可以c-Myc等癌蛋白为靶点进行泛素化，并在多种人类癌症中发生突变。因此，USP9X通过调节Fbw7的稳定性抑制肿瘤形成[21]。

在IBD模型中，去泛素化酶与IBD的发病机制相关。USP38是一种新型组蛋白去泛素化酶，可与组蛋白H3K4修饰剂组蛋白去甲基化转移酶（lysine demethylation 5B，KDM5B）结合并阻止其被蛋白酶体降解，进一步增强KDM5B在炎症相关基因调控中的功能。USP38-KDM5B被鉴定为一种独特的染色质修饰复合物，通过调控组蛋白泛素化和甲基化抑制炎症反应[22]。在实验性结肠炎或细菌感染模型中发现，USP25缺失可增强免疫反应、促进感染细菌的清除和炎症的消退，并抑制Wnt等信号通路，从而抑制结肠癌的发生[23]。研究表明，USP25是胃肠道感染和相关癌症的药物靶标[23]。

4.2 OTU家族与IBD

卵巢肿瘤结构域蛋白酶（ovarian tumor domainantaining protein，OTUD）1是炎症、先天性免疫反应、氧化应激反应及活性氧相关细胞死亡途径的关键调节因子[24]。OTUD1通过水解K63连接的泛素链调节NF-κB信号通路。研究发现，OTUD1与受体相互作用蛋白激酶1（receptor-interacting protein kinase 1，RIPK1）相互作用，并从RIPK63选择性地切割K1连接的多泛素链以抑制NF-κB必需调节剂的募集[25]。Nemo信号泛素化在调控NF-κB等的活化过程中发挥重要作用，且与IBD的发病密切相关[26]。OTUD1-RIPK1轴可能是IBD治疗的潜在靶标[25]。OTUD5是另一种去泛素化酶，可调节先天性免疫细胞和适应性免疫细胞的细胞因子生成。OTUD5在克罗恩病和溃疡性结肠炎中均过表达，表明这种蛋白质参与IBD异常细胞因子反应的扩增[27]。

A20是一种有效的抗炎分子，编码A20的基因发生突变与人、小鼠的各种炎症病理有关。A20可发挥泛素编辑酶作用，抑制NF-κB信号通路，从而发挥抗炎作用[28]。特异性敲除小鼠肠上皮细胞中A20后，并未发生自发性肠道炎症，但对葡聚糖硫酸钠盐诱导的结肠炎的敏感性增加，并抑制葡聚糖硫酸钠盐诱导的急性肠道炎症的恢复，表明A20在缓解肠道炎症和促进肠上皮损伤后恢复等方面可发挥作用[29]。A20和ABIN-1通过抑制胱天蛋白酶8的激活和细胞凋亡信号通路共同预防肠上皮细胞的死亡[30]。A20和ABIN-1也可调节RIPK1的不同泛素化事件，影响RIPK1磷酸化和RIPK1激酶活性，抑制RIPK1介导的坏死[30]。此外，A20也可通过对树突状细胞功能的调控，参与IBD的发生和发展[31]。

4.3 半胱氨酸蛋白酶家族的其他酶与IBD

Sigma-1受体具有抗炎作用。Sigma-1激动剂氟伏沙明可显著减轻结肠损伤，增加泛素C端水解酶连接酶-1和内皮型一氧化氮合酶的水平，并降低IL-6和诱导一氧化氮合酶的表达水平[32]。

黏蛋白2（mucoprotein 2，MUC2）是结肠黏液层的成分之一，其表达在肠道稳态中起重要作用。去泛素化酶ZRANB1的443氨基酸位置发生突变，半胱氨酸变为丝氨酸，从而影响泛素的形成。研究表明，ZRANB1调节MUC2的表达和肠道炎症，这可能有助于阐明IBD的发病机制并开发靶向ZRANB1的新疗法[33]。

MCPIP-1在活化的免疫细胞中高表达，在负调节免疫反应中起重要作用。MCPIP-1可显著下调活性氧和促炎细胞因子的生成，并抑制IBD中性粒细胞的迁移。靶向MCPIP-1有可能为IBD的治疗提供新方法[34]。