去泛素化酶USP7在細胞中的功能作用及其研究進展＊

姚 閃，陳 松，葉 茂*

(1.湖南大學生物學院分子科學與分子醫學實驗室，湖南 長沙 410082;2.湖南師范大學生命科學學院，湖南 長沙 410006)

泛素-蛋白酶體系統(Ubiquitin-proteasome system，UPS)是細胞內80%以上蛋白質降解的主要途徑，蛋白質在接受泛素化信號如磷酸化、損傷等后，在一系列泛素化酶(泛素激活酶E1，泛素結合酶E2，泛素連接酶E3)的作用下，靶蛋白被泛素鏈標記，隨后被運輸到蛋白酶體降解，泛素被釋放重新利用。細胞通過這種高度特異性的方式對不需要的蛋白進行降解［1］。近年來研究表明，泛素化是一個可逆的過程，去泛素化酶能夠水解泛素和蛋白質間的硫酯鍵，移除泛素分子，逆轉泛素化過程，保護底物不被蛋白酶體水解或者調控底物的亞細胞定位和活化。人類基因組至少編碼98種去泛素化酶，這些去泛素化酶根據序列和結構的相似性可以被分為六大家族，分別是:泛素特異性蛋白酶家族(Ubiquitin-specific proteaases，USPs)，泛素C末端水解酶家族(Ubiquitin carboxy-terminal hydrolases，UCHs)，卵巢瘤蛋白酶家族(Ovarian-tumor proteases，OTUs)，Machado-Joseph disease protein domain proteases家族(MJDs)，JAMM/MPN結構域相關的金屬肽酶家族(JAMM/MPN domain-associated metallopeptidases，JAMMs)和單細胞趨化蛋白誘導蛋白家族(Monocyte chemotactic protein-induced protein，MCPIP)［2］。其中泛素特異性蛋白酶(USPs)是迄今最大的去泛素化酶(Deubiquitinases，DUBs)家族，包含成員超過50個。

Ubiquitin-specific protease7(USP7)屬于半胱氨酸蛋白酶，是泛素特異性蛋白酶家族的重要成員之一。USP7作為目前研究最為廣泛的一個泛素特異性蛋白酶，最初是被認為是與單純皰疹病毒ICP0蛋白(Herpes simplex viral protein infected cell protein 0)相關的分子，因此也被稱為Herpes virus-associated ubiquitin-specific protease，HAUSP［3］。近年來研究表明USP7能調節細胞內眾多蛋白底物的活性和功能，包括抑瘤蛋白、DNA修復蛋白、免疫應答蛋白、病毒蛋白、表觀遺傳調節子等，在疾病的發生發展中起著重要的作用［4，5］。

1 USP7的分子結構

人USP7基因位于16號染色體短臂1區3帶2亞帶，全長4013 bp，包含31個外顯子。USP7蛋白含1102個氨基酸殘基，分子量135 kDa，主要定位在細胞核，細胞質中也有少量的分布。USP7在哺乳動物中是一種非常保守的蛋白，人和小鼠以及大鼠的氨基酸序列有98.6%的一致性。USP7蛋白包含四個結構域:一個N末端(N terminal domain，NTD)，一個酶催化活性中心(aa208-560)和兩個C末端蛋白酶抵抗結構域(C terminal domain，CTD)，NTD和CTD是USP7與其它蛋白結合的重要部位［6］。

USP7蛋白分子結構示意圖，the schematic molecular structrue of USP7

USP7通過 NTD aa1-208結合 TSPYL5、p53、HDM2、HDMX 和 EBNA1［7-9］，也能通過 CTD aa801-1150結合p53和HDM2，而ICP0蛋白通過aa620-626與 USP7 的 CTD aa622-801 結合［12，13］。對比 EBNA1和p53結合USP7前后的核磁共振頻率變化，發現EBNA1與USP7有更大范圍的結合［7］，且EBNA1與USP7的親和力要比 p53與USP7的親和力高出10倍［10］，因此，EBNA1 能在體內和體外干擾 p53 與USP7 的相互結合和 p53 的穩定性［11，14，15］。

2007 年，Amaury［16］通過區段缺失的方法對USP7的生化特征進行了表征，發現USP7 NTD缺失體(NTD-USP7)和全長USP7(FL-USP7)酶活相差不大，CTD-/NTD-USP7與CTD-USP7酶活相差也不大，但比FL-USP7的酶活卻降低超過一百倍，由此可知NTD對USP7的酶活性幾乎沒有影響，CTD對USP7的酶活影響則較大。通過構建USP7的不同缺失突變體發現，只有TRAF樣區域aa70-205能成功定位到細胞核中［16］。生物信息學分析表明USP7蛋白分子上并沒有核定位序列，推測USP7的入核可能還需要其他分子的協助，而協助其入核的分子目前還不清楚。

2 USP7的功能

2.1 細胞存活

近來發現USP7與幾種重要的存活相關的調控蛋白相關，分別是 DNMT1、RAE1、Bub3 和 Nup98，它們的穩定性和功能都潛在地受到USP7的調控［17-19］。DNMT1(DNA methyltransferase 1，DNA甲基轉移酶1)，是人體內最早發現甲基轉移酶，在多種腫瘤中高表達。大量研究表明，其與許多抑癌基因啟動子區域CpG島的過度甲基化直接相關。在體內，Dnmt1能與USP7和UHRF1形成一個三元復合物，結合到染色質上，調節DNA的甲基化［20］。在Dnmt1-USP7-UHRF1三元復合物中，USP7對Dnmt1的調控主要表現在兩個方面:第一靶向并去泛素化UHRF1，調控UHRF1的泛素化和穩定性，進而影響Dnmt1;第二，直接刺激Dnmt1的DNA甲基化活性［20-22］。在體外，USP7也能顯著刺激Dnmt1的DNA甲基化酶活性的維持和全新甲基化的酶活性［23］。

FOXO是FOX基因(即Forkhead)家族中的一個亞族，人類有4個FOXO同源基因，正常情況下抑制細胞增殖，誘導細胞凋亡。HDM2介導FOXO4的單泛素化，而USP7又可以去泛素化并穩定HDM2，并進一步促進FOXO4的單泛素化，導致FOXO4的核輸入，激活其下游信號通路，抑制細胞增殖，誘導細胞凋亡，從而影響細胞的存活［24，25］。

2.2 細胞周期調控

細胞周期是連續分裂的細胞從上一次有絲分裂結束到下一次有絲分裂完成所經歷的整個過程，包含G1期、S期、G2期、M期四個階段。UHRF1(泛素樣，帶有PHD和RING指環結構域1，也被稱為Np95和ECBP90)通過結合半甲基化的CpG島，并招募DNMT1在DNA復制過程中確保DNA甲基化的忠實傳遞［26，27］。它的缺失與細胞周期G1期和G2/M期的失調有關［28］。USP7能通過與UHRF1相互作用并介導其穩定，參與對細胞周期的調控［22］。通過質譜分析和特異性的抗體檢測發現在有絲分裂細胞M期，特異性激酶CDK1-cyclin B能使UHRF1與USP7相互作用的絲氨酸(S)652位點發生了磷酸化，顯著抑制UHRF1與USP7的相互作用，導致UHRF1的穩定性降低，這與UHRF1在細胞周期M期活性降低密切相關。基于以上實驗證據，研究人員提出了一個模型:即在G1和S期，USP7與UHRF1相互作用并穩定UHRF1，而一旦進入M期，活化的CDK1-cyclin-B磷酸化UHRF1的S652，抑制了其與USP7的結合能力，導致UHRF1隨后被蛋白酶體降解，從而促進細胞周期的運行［22］。

2.3 染色質重組

核小體是染色體的基本結構單位，由一個組蛋白八聚體(H2A、H2B、H3、H4)及圍繞在其周圍的一段147 bp的DNA構成。組蛋白的翻譯后修飾包括乙酰化、磷酸化、甲基化、泛素化和糖基化等，改變染色質的動態結構，影響基因轉錄和基因抑制，而這兩個過程在癌癥中通常是異常的。目前研究表明，至少有 7 種 DUBs(USP3、USP7、USP16、USP21、USP22、MYSM1和BRCC36)可以結合并去泛素化組蛋白，主要是H2A和H2B［29-32］。USP7可以直接結合并去泛素化組蛋白H2A參與細胞轉錄調控，同時，USP7還可以通過間接調控H2B的E3連接酶HDM2來進一步調控 H2B［33，34］。研究發現 USP7在體外可以去泛素化單泛素的H2B［35-37］。然而隨后研究表明在人類纖維原細胞中抑制或過表達USP7并不能改變H2B和H2A的總體泛素化水平，但在Hela細胞中抑制USP7表達后，H2B的泛素化水平則表現出持續的上升［38］。USP7活性的細胞類型差異可能源于鳥苷酸合成酶(GMPS)的存在與否，GMPS被認為是 USP7的催化輔因子［36-38］。GMPS結合到 USP7上后能引起USP7構型發生改變，增強USP7的催化活性［36］。與非轉化、無增生的細胞相比，GMPS在致瘤的和轉化的細胞中是過表達的［38-40］。

2.4 信號通路

2.4.1 p53-HDM2 通路 p53 是一種抑瘤蛋白，在保持細胞內穩態方面發揮關鍵作用，在超過50%的腫瘤中均有突變［41］。E3泛素連接酶HDM2是參與p53泛素化修飾，負調控p53的最重要的分子之一，通過將多泛素鏈裝配到p53上，使p53能被識別而通過蛋白酶體途徑降解，而當HDM2單泛素化p53時，能誘導p53的核輸出。同時，HDM2也是p53轉錄因子的靶分子，其轉錄水平受到p53的直接調控，形成p53-HDM2自反饋環通路。迄今為止，已經發現 USP2、USP4、USP5、USP7、USP10 和 USP29 都能參與對p53的調控［42-47］。其中，USP7通過調控HDM2和p53兩者的穩定性，而參與到p53-HDM2通路的動態調控過程中［48，49］。USP7是第一個被確認的 p53的底物特異性去泛素化蛋白酶，USP7在體內和體外都能直接結合p53并去泛素化p53。過表達USP7能穩定p53，促進p53依賴的的凋亡和細胞生長停滯，抑制細胞的增殖。然而，令人不可思議的是在敲除USP7的細胞中并非如預料的一樣，通過增加p53的泛素化而下調p53，USP7的缺乏反而通過p53的泛素化導致p53的積累。隨后的研究發現，USP7不僅是p53的去泛素化酶，而且還能結合和去泛素化p53的負調控子HDM2。結構和生化研究揭示p53和HDM2相互排斥地競爭性結合USP7 N端TRAF樣的結構域中同一位點，但是USP7結合HDM2的親和力明顯高于p53數倍，這提示在正常細胞的穩態條件下，HDM2很可能是USP7優先結合的底物，而一旦DNA發生損傷，ATM介導HDM2發生磷酸化，降低它與USP7的親和力，從而減弱它的穩定性，導致應激誘導的HDM2降解，釋放出游離的USP7，因此，在應激條件下，p53轉變為USP7主要的底物，并被迅速穩定。最近的研究發現，USP7不僅能分別結合p53和Mdm2形成二元復合物，而且還存在p53-HDM2-USP7的三元復合物，USP7不僅能直接結合并去泛素化Mdm2，而且還能以Mdm2作為橋梁，以in trans的方式去泛素化 p53，導致 p53和 Mdm2的穩定［50-52］。

2.4.2 NF-κB 通路 轉錄因子 NF-κB(nuclear factor-κB)是一類普遍存在的、控制著各種基因轉錄的重要轉錄調節因子，在靜息狀態下，NF-κB二聚體與其抑制蛋白 I-κB結合，NLS被覆蓋，NFκB以無活性的三體形式存在于細胞質中。在外界的刺激下，首先引起NF-κB誘導激酶(NFκB inducing kinase，NIK)的活化，繼而激活IκB 激酶(IκB kinase，IKK)，使IκB-α與含72個氨基酸的泛素蛋白相連，加快IκB-α 的降解速度，迅速降解的 IκB 使結合體中NFκB的NLS暴露，經核孔進入細胞核內，與特定的DNA序列(κB序列)結合，發揮其對基因轉錄的調控作用［53-56］。研究發現 USP7能結合在 NF-κB靶基因的啟動子上，通過直接去泛素化 NF-κB，逆轉 NF-κB泛素化及蛋白酶體降解過程，促進NF-κB的轉錄活性增強［57，58］。USP7 缺失后，NF-κB 泛素 化水平升高，轉錄活性降低，靶基因表達水平下調，因此，USP7對NF-κB的去泛素化作用在其靶基因的表達過程中發揮關鍵作用［57］。

3 與USP7有關的疾病

3.1 單純性皰疹

單純性皰疹是由單純皰疹病毒(Herpes simplex virus，HSV)引起的一種傳染病。HSV是一種雙鏈DNA病毒，基因組152 kb，按表達時序分為α，β，r 3類，分別表達立即早期(Immediate-early，IE)基因、早期(Early，E)基因、晚期(Late，L)基因［59］。病毒IE基因編碼的蛋白包括:ICP0，ICP4，ICP22，ICP27和ICP44，它們對激活后續E和L基因表達有重要作用［60］。感染性細胞多肽 0(Infected cell protein0，ICP0)是一種多功能調控蛋白，它具有E3泛素連接酶的活性，不僅可調控病毒基因組的表達，激活病毒后期基因的轉錄，還可以與宿主細胞內的多種蛋白相互作用，激活細胞相關基因的轉錄并且可以調控裂解性與潛伏性之間的平衡，對HSV-1的存活至關重要［31，61］。

USP7能夠與ICP0結合，并且USP7主要通過兩種方式影響ICP0:第一，USP7直接與 ICP0結合［46］，ICP0介導USP7的泛素化，促進USP7的蛋白酶體降解［46］。同時，USP7又可以去泛素化 ICP0，保護 ICP0不進行自身泛素化并降解［62］。這兩個反應的終結果是，USP7對ICP0的去泛素化作用占主要，即USP7穩定ICP0;第二，ICP0的表達會引起USP7從細胞核輸出到細胞質，USP7在細胞質與NF-κB和JNK途徑上的TRAF6和IKKγ結合并去泛素化，從而終止TLR(Toll like receptor，TLR)介導的免疫反應［32，33］。USP7通過這兩種方式促進了HSV-1病毒在宿主細胞中的存活，增大了單純性皰疹的發病風險。

3.2 鼻咽癌

Epstein-Bar virus(EBV)是一種γ皰疹病毒，在全球范圍內，有90%以上的人感染過EBV。EBV的潛伏感染能夠誘導鼻咽癌發生［63］。Epstein-Barr nuclear antigen 1(EBNA1)是EBV編碼的一種DNA結合蛋白，在所有與EBV相關類型的腫瘤細胞內表達，是病毒潛伏期DNA復制、游離基因維持和永生化初級 B淋巴細胞必不可少的蛋白［64，65］。USP7具有去泛素化酶活性，能穩定抑瘤蛋白p53并調控其活性［49］，但 EBNA1會和 p53競爭與 USP7結合的位置，進而降低p53的穩定性，阻止p53的抑瘤功能，促進鼻咽癌的發生［66］。

3.3 肺癌

肺癌根據生物學特性，可分為非小細胞肺癌和小細胞肺癌兩大類，非小細胞肺癌(NSCLC)占所有肺癌病例的80%～85%。非小細胞肺癌包括:鱗癌，腺癌，大細胞癌，鱗腺癌等。在NSCLC患者的樣本中，45%的患者USP7表達水平降低，44.3%的患者p53發生突變，且在p53突變或USP7表達降低的患者中，p53的下游靶基因p21和bax的表達比在p53野生型或USP7陽性表達的樣本中明顯降低［67，68］。雖然p53基因的表達情況與USP7的表達沒有明顯相關性，但USP7與p53下游靶基因p21和bax的表達呈現明顯相關性，提示USP7是通過p53依賴的途徑來參與非小細胞肺癌的發生發展過程，即USP7通過穩定p53發揮腫瘤抑制的功能作用［67］。另外，同時有野生型p53和陽性USP7表達的NSCLC患者的生存期明顯長于USP7表達減少或p53突變的NSCLC患者。USP7表達減少的腫瘤患者對化療和放療耐受，推測USP7基因的下調可能在腫瘤的發生、發展中起到重要作用［69-71］。

3.4 宮頸癌

宮頸癌是女性常見惡性腫瘤之一，原位癌高發年齡為30～35歲，浸潤癌為45～55歲，近年來其發病有年輕化的趨勢，發病原因目前尚不清楚。Rolen等人2006年通過化學功能蛋白質組學，研究攜帶人乳頭瘤病毒的宮頸癌組織和癌旁組織，發現在宮頸癌細胞中USP7表達頻率較低(19%)，而在宮頸癌衍生細胞系和E6/E7永生化的角質細胞中表達頻率較高(88%)，推斷USP7可能在宮頸癌惡性轉化過程中發揮一定的作用［72］。

4 USP7作為抗腫瘤的分子靶標

USP7作為一種重要的去泛素化酶，通過去泛素化多種重要的腫瘤調節分子，在腫瘤發生和演進過程中發揮重要作用，因此以其作為抗腫瘤的分子靶標近年來成為研究的熱點。通過小分子化合物庫高通量篩選，已明確多個USP7的特異性小分子抑制劑。小分子化合物HBX 19818能共價結合USP7催化活性位點的Cys223，引發USP7構象改變，顯著抑制USP7的去泛素化酶活性［73］。在體內，HBX 19818引起MDM2蛋白表達水平下降，p53表達水平上升，導致細胞周期G1期阻滯。HBX19818能抑制多種腫瘤細胞系的生長，包括結腸癌細胞HCT116、前列腺癌細胞DU145、宮頸癌細胞HeLa等。小分子化合物P5091為三取代噻吩類衍生物，能高度特異性抑制USP7酶的活性，而對去泛素化酶家族其它成員沒有影響［74］。P5091能抑制多發性骨髓瘤細胞的生長并誘導其發生凋亡。由于P5091誘導多發性骨髓瘤細胞發生凋亡并不依賴于p53，因此，具有非常重要的臨床價值，有助于p53突變或缺失的多發性骨髓瘤患者的治療［75］。同時，P5091也能抑制對萬珂、Dexamethasone，Doxorubicin或 Melphalan耐藥的多發性骨髓瘤細胞的生長。

5 總結和展望

USP7能調節細胞內眾多蛋白底物的活性和功能，包括抑瘤蛋白、瘤蛋白、DNA修復蛋白、免疫應答蛋白、病毒蛋白、表觀遺傳調節子等，在疾病的發生和演進過程中起著非常重要的作用，特別是腫瘤和病毒性疾病，因此，以USP7作為分子靶標的疾病治療策略將會有更加廣闊的開發價值和臨床應用前景。

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