泛素-蛋白酶體通路在男性生殖領(lǐng)域的研究進展

趙昍朋(綜述)，張　媛，肖　瑞(審校)

(內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生理學(xué)教研室，內(nèi)蒙古自治區(qū)分子病理學(xué)重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010059)

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·綜述·

泛素-蛋白酶體通路在男性生殖領(lǐng)域的研究進展

趙昍朋(綜述)，張媛，肖瑞*(審校)

(內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生理學(xué)教研室，內(nèi)蒙古自治區(qū)分子病理學(xué)重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010059)

[關(guān)鍵詞]生殖；泛素；精子發(fā)生；綜述文獻

doi:10.3969/j.issn.1007-3205.2016.07.032

泛素-蛋白酶體通路(ubiquitin proteasome pathway，UPP)介導(dǎo)的蛋白降解是機體內(nèi)一個主要的調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)蛋白水平的過程。泛素化是指泛素在一些特殊的酶(泛素激活酶、泛素結(jié)合酶、泛素連接酶等)作用下，將細(xì)胞內(nèi)的蛋白進行靶向分類及特異性修飾的過程[1]。而蛋白酶體系統(tǒng)可以識別已泛素化的蛋白并加以降解。因此，UPP在調(diào)節(jié)體內(nèi)蛋白的定位和功能等方面都起著十分重要的作用。男性精子的生成是一個復(fù)雜而有序的過程，據(jù)調(diào)查UPP在生精細(xì)胞內(nèi)蛋白和細(xì)胞器的降解中發(fā)揮著重要作用[2]。現(xiàn)將UPP在男性生殖系統(tǒng)研究領(lǐng)域的相關(guān)進展以及UPP異常對男性不育的影響綜述如下。

1　UPP介紹

UPP由泛素、泛素啟動酶系統(tǒng)和蛋白酶體系統(tǒng)組成[3]。

1.1泛素泛素是細(xì)胞核和細(xì)胞漿中的高度保守的小分子蛋白，它廣泛存在于真核生物的細(xì)胞表面[4]，是由76種氨基酸組成的低分子量熱穩(wěn)定蛋白，相對分子質(zhì)量大約為8 500 000。在泛素酶的催化下，泛素的C-末端甘氨酸與靶蛋白的賴氨酸側(cè)鏈相連, 而后其他泛素分子以甘氨酸殘基連接到先前結(jié)合的泛素分子的賴氨酸側(cè)鏈上而形成多泛素化鏈[5]。泛素也可以標(biāo)記跨膜蛋白，參與蛋白質(zhì)的膜泡運輸。非典型泛素鏈在細(xì)胞信號傳導(dǎo)、內(nèi)吞，以及DNA損傷修復(fù)、調(diào)控哺乳動物的轉(zhuǎn)錄因子通路中起著重要作用。

1.2泛素啟動酶系統(tǒng)蛋白質(zhì)的泛素化是一個或多個泛素分子的底物蛋白的共價連接，這一系列活動共包括3種泛素啟動酶，即泛素激活酶(ubiquitin activating enzyme，E1)、泛素結(jié)合酶(ubiquitin conjugating enzyme，E2)、泛素連接酶(ubiquitin protein ligase，E3)[6]。E1將泛素分子激活后，泛素途徑得以啟動，泛素再通過硫酯鍵轉(zhuǎn)移到E2，而E3又與E2相互作用，將泛素轉(zhuǎn)移到靶蛋白的殘基上[7]。具體為一個泛素分子在基底膜上連結(jié)賴氨酸殘基，剩下的泛素分子則通過賴氨酸殘基形成串聯(lián)而完成一次單泛素化，這一過程共連結(jié)了7個賴氨酸殘基(Lys 6、Lys 11、 Lys 27、 Lys 29、Lys 33、Lys 48和 Lys 63)，從而形成泛素鏈[8]。然而，一種泛素鏈也可以有不同的結(jié)果，如Lys 11-泛素鏈可以通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或蛋白酶體促進靶蛋白的降解[9]。這一過程不斷反復(fù)，靶蛋白即被綁上一批泛素分子，被泛素標(biāo)記的靶蛋白再在蛋白酶體中進行降解。

1.3蛋白酶體系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上看，蛋白酶體是一個桶狀的復(fù)合物[10]，其普遍存在于真核生物細(xì)胞的細(xì)胞核及細(xì)胞質(zhì)中，是細(xì)胞用來調(diào)控蛋白質(zhì)濃度和去除錯誤折疊蛋白的主要機制。較為常見的為26 S蛋白酶體，包含一個19 S的調(diào)節(jié)亞基和一個20 S的調(diào)節(jié)亞基。前者的亞基可以識別展開的泛素鏈，而后者能夠降解肽鏈或未折疊底物[11]。

1.4去泛素化酶去泛素化是反向的泛素化過程,這一過程依賴于去泛素化酶(deubiquitinating enzymes，DUBs)，DUBs可以拆解泛素鏈與蛋白底物，具體作用如下：①處理泛素前體；②回收泛素化過程中的泛素；③編輯泛素鏈；④泛素結(jié)合的逆轉(zhuǎn)[7]。因此,去泛素化過程在蛋白酶體調(diào)控過程中起到了關(guān)鍵性的作用。雖然目前去泛素化的生理作用尚不清楚，但DUBs在參與細(xì)胞的生理功能方面，如細(xì)胞的凋亡和細(xì)胞的周期、蛋白降解、基因表達(dá)、染色體分離和脫氧核糖核酸的修復(fù)方面起到了十分重要的作用[12-13]。

近年來隨著對UPP研究的深入，逐步發(fā)現(xiàn)UPP在變構(gòu)蛋白的降解、原癌基因產(chǎn)物的降解[14]、轉(zhuǎn)錄因子的降解及細(xì)胞胞質(zhì)分裂中均起著重要的作用。

2　UPP與精子發(fā)生

精子的產(chǎn)生是一個復(fù)雜而有序的過程。從精原細(xì)胞的分化到精子的成熟，其間包括有絲分裂、減數(shù)分裂以及精子形成都在生精小管中進行[15]。UPP參與精子發(fā)生的不同階段，即精原細(xì)胞的有絲分裂、精母細(xì)胞的減數(shù)分裂及精子形成。表明UPP在整個精子的形成過程中發(fā)揮著重要作用[16]。

2.1線粒體泛素化與精子發(fā)生在精子形成過程中，泛素化是必不可少的途徑，尤其是哺乳動物線粒體的泛素化，決定著男性精子的命運。精子中約有200～3 000個線粒體，而精子的正常功能的運轉(zhuǎn)離不開線粒體，線粒體幾乎供應(yīng)著生物體細(xì)胞中所有的能量。盡管具體機制尚不清楚，但泛素化過程的異常導(dǎo)致線粒體的退化從而最終影響精子的健康是毋庸置疑的。

在精子的發(fā)生過程中，線粒體供應(yīng)絕大多數(shù)細(xì)胞生理過程中所需的能量，如減數(shù)分裂、精子細(xì)胞分化、精子存活以及精子獲能。在精子形成過程中，線粒體逐漸變小、變長并在尾部聚集，盤旋環(huán)繞中間軸而形成線粒體鞘，為尾部旋轉(zhuǎn)提供能量。在線粒體的形成變化過程，UPP的缺陷會影響線粒體功能，如泛素結(jié)合酶ubc4和ubc5的消耗將最終影響線粒體的供能[17]，而在精子的發(fā)生過程中E3的缺乏將影響線粒體的供能[18]。因此，線粒體的泛素化對哺乳動物來說是精子形成過程中的一個必不可少的步驟。在生殖細(xì)胞中線粒體和泛素酶通過一些特殊的線粒體蛋白相關(guān)聯(lián)，即UPP參與精子發(fā)生中線粒體的降解。在有關(guān)小鼠受精卵的研究中發(fā)現(xiàn)，精子在與卵細(xì)胞結(jié)合時，精子中已被泛素化的線粒體被卵細(xì)胞的UPP所降解[19]。表明精子中的線粒體被泛素標(biāo)記后同種之間才能進行受精。而相反，在野牛雜交研究中發(fā)現(xiàn)，在異種之間的精子中被泛素標(biāo)記的線粒體則不能識別卵細(xì)胞中的蛋白酶體，即不能受孕。以上研究均表明線粒體泛素化在生精以及受精過程中有著重要作用。

然而在精子發(fā)生過程中線粒體泛素化的具體機制仍不清楚，如損失泛素化的底物是否會造成精子發(fā)生過程中線粒體的退化，從而導(dǎo)致不健康的精子，以上等問題都亟待解決。

2.2UPP酶與精子發(fā)生UPP離不開E1、E2、E3和蛋白酶體[20]。其中最為常見的是E3[21]，但每一個成分都是UPP過程所不可缺少的。

在小鼠的研究中發(fā)現(xiàn)，E1在睪丸中有特異性表達(dá)。其在精原細(xì)胞中的表達(dá)水平要明顯高于在精母細(xì)胞和支持細(xì)胞中的表達(dá)水平。這表明E1可能影響了小鼠的精子發(fā)生。E2是一個龐大的家族，據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，大量的E2都參與了精子的發(fā)生過程[22]。如ubc4-1 mRNA幾乎在所有的生精階段中表達(dá)，而ubc4-2 mRNA主要表現(xiàn)在圓形和長形精子細(xì)胞，ubc9可以在精子發(fā)生過程中的減數(shù)分裂中起調(diào)節(jié)作用[23]。E3中的一個代表RNF，在睪丸中特異性表達(dá)，其中RNF19A參與了精子尾部的形成，并且與Psmc(26 S蛋白酶體的一部分)共同參與了精子頭部形成過程中的泛素化。也有報道表明RNF151在睪丸中高度表達(dá)并且有調(diào)控精子發(fā)生的作用。以上均說明E3在某些特定的底物泛素化過程中對雄性生殖細(xì)胞發(fā)育的重要性[24]。

目前，有關(guān)蛋白酶體方面的研究范圍已十分廣泛，通常，蛋白酶體活力的下降也將導(dǎo)致精子發(fā)生的缺陷。一些蛋白酶體激活劑的缺乏也會導(dǎo)致產(chǎn)生畸形的精子。而精子細(xì)胞中的一些特殊蛋白結(jié)構(gòu)也參與泛素化，從而有助于促進精子的成熟。

2.3泛素與精子發(fā)生精子的發(fā)生是一個復(fù)雜而有序的細(xì)胞分裂與分化的過程，二倍體精原細(xì)胞發(fā)展成為一個單倍體雄性配體進而成為精子， 在人類中整個過程需耗費74 d[25]。泛素是男性精液的重要組分，有調(diào)查顯示在男性不育患者體內(nèi)泛素的含量明顯增加，而伴隨著精液中泛素含量的增加，精子的形態(tài)、數(shù)量和活動能力均有所下降。表明泛素可以作為衡量精子質(zhì)量的一項指標(biāo)。

2.4附睪中精子的泛素化精子發(fā)生的過程十分繁復(fù)，過程中難免會產(chǎn)生異常的精子。這些異常的精子伴隨正常的精子將一起在附睪中進行處理。而這些畸形的精子如何被淘汰這一過程也是十分重要的。人們在小鼠的附睪腔中進行泛素化免疫反應(yīng)檢測發(fā)現(xiàn)，一些蛋白的泛素化發(fā)生在附睪。畸形的精子會被泛素化然后在附睪中被蛋白酶體所降解、消除。這表明UPP是精子在附睪中成熟及高質(zhì)量的保證。可是，至今仍有許多問題仍不明朗，如究竟是什么E3結(jié)合在附睪中的精子表面。

3　UPP與睪丸癌

睪丸癌占男性腫瘤的1%～1.5%，其組織學(xué)類型多為精原細(xì)胞瘤。眾所周知，癌癥的惡化與細(xì)胞周期的異常及腫瘤細(xì)胞的轉(zhuǎn)移密切相關(guān)。在精子發(fā)生過程中，如同前面所介紹的，包括有絲分裂和減數(shù)分裂均離不開UPP，如果有絲分裂和減數(shù)分裂發(fā)生異常，將使細(xì)胞周期發(fā)生改變，從而導(dǎo)致細(xì)胞過度分化，最終產(chǎn)生睪丸癌。

在精子發(fā)生過程中，細(xì)胞凋亡對高質(zhì)量的精子的產(chǎn)生有著重要的影響，而p53是細(xì)胞凋亡中的一個重要的調(diào)節(jié)因子。p53是人體的一個抑癌基因，是一種相對分子質(zhì)量為53 000的蛋白質(zhì)，p53的失活對睪丸癌的形成有著重要影響。MDM2是E3連接酶的一種，與p53泛素化并最終通過蛋白酶體降解它。而E3的失衡將會導(dǎo)致p53的過度降解，從而影響細(xì)胞凋亡，最后導(dǎo)致癌癥。因此，UPP在今后用于診斷及治療睪丸癌方面都將會成為學(xué)者所關(guān)注的熱點。

4　結(jié)　　語

全世界的已婚不孕不育夫婦中，50%與男性因素有關(guān)。男性不育是一個復(fù)雜的且受多因素影響的過程。近年來隨著細(xì)胞生物學(xué)和遺傳生物學(xué)領(lǐng)域研究的不斷深入，在男性不育方面也取得了新的進展，但仍有很多機制尚不明確。E3將泛素結(jié)合到靶蛋白的細(xì)胞表面或細(xì)胞器上，再由蛋白酶體進行降解并間接地處理多余的細(xì)胞質(zhì)。在這一過程中，如果UPP的某個成分產(chǎn)生了異常，則不能產(chǎn)生功能性的精子。這些異常的精子再在附睪中成熟，則會使精子的質(zhì)量降低從而導(dǎo)致不育。相反，如果掌握了UPP在精子發(fā)生中的機制，則可以避免這一問題，從而控制精子產(chǎn)生的質(zhì)量。此外，腫瘤的發(fā)生也受著泛素化的影響，蛋白酶體的應(yīng)用將為腫瘤的治療提供突破性的進展，這也為研究睪丸癌提供了方向。對泛素在這些途徑中作用的研究, 將有助于對機體相關(guān)的生理機制和疾病的認(rèn)識, 也將有助于新的治療方法和新的靶向藥物的發(fā)現(xiàn)。

總之，UPP與精子在睪丸內(nèi)的分化成熟以及其他生殖領(lǐng)域，包括卵子發(fā)生、受精、胚胎發(fā)育等方面發(fā)揮著重要作用。此外，泛素在附睪精子的線粒體的質(zhì)量控制與調(diào)節(jié)方面也很重要，UPP的研究也應(yīng)用于不孕不育、避孕、動物基因改良、克隆研究等領(lǐng)域。而隨著研究的進展，相信UPP將為人類的生殖健康和疾病研究等帶來福音。

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(本文編輯：劉斯靜)

[收稿日期]2016-01-22；[修回日期]2016-02-17

[基金項目]國家自然科學(xué)基金項目(31260260)；內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金項目(2015MS0372)；內(nèi)蒙古自治區(qū)“草原英才”項目

[作者簡介]趙昍朋(1990-)，女，遼寧沈陽人，內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)碩士研究生，從事男性生殖研究。 *通訊作者。E-mail:xiaorui79@hotmail.com

[中圖分類號]R698.2

[文獻標(biāo)志碼]A

[文章編號]1007-3205(2016)07-0859-04