Lon 蛋白酶的研究進展

周穎 劉康（通訊作者）

（中國藥科大學 江蘇 南京 211198）

1.Lon的結構和功能

Lon 是一種位于線粒體基質的蛋白水解酶，也稱為Lon 蛋白酶。在細菌中也稱為蛋白酶La，起源于表型缺少Lon 基因的大腸桿菌突變體[1]。在大腸桿菌中，Lon 可降解近50%的異常蛋白質。Lon 蛋白酶由核基因編碼，并在所有生物體中高度保守。通過選擇性降解線粒體基質中錯誤折疊的蛋白、氧化及短壽命調節蛋白參與蛋白質的質量控制，維持線粒體基因組的表達[2]。

線粒體基質中有三種蛋白酶屬于AAA+超家族（與多種細胞活性相關的ATP 酶），包括m-AAA、CLPXP 和Lon[3]。Lon在胞質核糖體中翻譯成具有線粒體靶向序列的前體蛋白形式（MTS），其N 端引導Lon 前體進入線粒體基質，MTS 裂解后，Lon 轉變為成熟的Lon 蛋白酶，然后重新折疊為有功能的蛋白酶[4]。

Lon 含有三個功能結構域：N 端結構域、ATP 酶結構域（AAA+域）和P 結構域[5]。其N 端結構域可參與底物的識別，在氨基酸組成上有高度特異性。底物被識別后發生去折疊，進入蛋白水解部位，則開始進行肽鍵剪切。有研究發現Lon 的突變體表現出一系列的N 端結構域缺失，其也失去結合底物的能力[6]。然而它們仍保持ATP 酶的活性并可水解較小的多肽。Lon 的N端除了識別功能外，還參與了自身活性的調節。此外，AAA+域可參與ATP 的結合和水解。P 結構域有蛋白水解活性。

2.Lon和神經性疾病

2.1 Lon 和腦缺血/中風

在大鼠缺血性腦卒中（大腦中動脈栓塞）模型中，Lon mRNA 和蛋白表達水平由缺血誘導引起，特別是在神經元中[7]。已知腦缺氧/血會引起嚴重的內質網應激。減少蛋白的合成可用以應對內質網應激，該途徑需要內質網中蛋白激酶PERK 的激活。在PERK（-/-）細胞中由內質網應激誘導的Lon 蛋白酶被抑制，證實了Lon 與內質網應激反應相關[8]。

2.2 Lon 和家族性肌萎縮側索硬化癥（ALS）

ALS 是一種嚴重的神經退行性疾病，其特征為進行性運動神經元死亡，引起進行性麻痹和致命的呼吸衰竭[9]。越來越多的證據支持線粒體功能障礙和凋亡激活在ALS 病因中起的關鍵作用。Lon 下調導致各種人類細胞元凋亡,由此提出了ALS 中L o n 下調與運動神經元凋亡之間存在潛在的直接關系這一問題[10]。

2.3 Lon 和帕金森氏病（PD）

有研究表明，導致活性氧產生和蛋白質氧化的線粒體功能障礙可能是導致帕金森氏病發病機理中的關鍵。在1-甲基-4-苯基-1，2，3，6 四氫吡啶（MPTP）誘導的小鼠PD 動物模型中發現，Lon 在中腦腹側表達增加，并伴隨著氧化蛋白的出現和多巴胺能細胞損失[11]。

3.Lon 與心肌缺血

缺血和缺血性損傷通常會導致氧化應激和線粒體損傷。研究表明，線粒體電子傳遞鏈的細胞色素C 氧化酶(CcO)活性在缺血過程中遭到破壞，這將破壞線粒體復合物之間功能聯系，導致活性氧過量產生并降低ATP 合成。Naresh B.V. Sepuri1 等研究結果表明，在缺氧的巨噬細胞和缺血的兔心臟中，線粒體Lon 的蛋白與mRNA 水平均呈時間依賴性增加[12]。進一步實驗結果顯示，Lon 過表達誘導PKA 介導的磷酸化CcO亞基降解，與在缺氧和缺血/再灌注的心臟中觀察到的結果類似[12]。從而證實Lon 在此過程中的作用。Lon 活性增加對于缺氧和心肌缺血再灌注中觀察到的CcO 破壞至關重要。

4.Lon與胰島素抵抗

線粒體功能紊亂可導致胰島素抵抗和2 型糖尿病。在人肝細胞中，Lon 下調會導致胰島素信號傳導受阻和糖異生相關酶水平升高。而Lon 過表達能降低由膽固醇和棕櫚酸引起的胰島素抵抗。糖尿病小鼠體內的Lon 蛋白水平顯著低于正常小鼠體內的Lon 蛋白水平。表明Lon 下調可能參與胰島素抵抗和2 型糖尿病的進程[13]。

5.Lon與癌癥

近年來Lon 已經成為線粒體質量控制系統中重要成分，并可作為線粒體改變中的一種重要應激傳感器。在許多慢性疾病和癌癥中都可以觀察到這種現象[14]。線粒體L o n 在很多癌癥中過表達，如惡性B 細胞淋巴瘤、宮頸癌、膀胱癌、非小細胞肺癌等[15]。大多數癌細胞的主要特征是迅速增殖，會造成缺氧微環境，因此線粒體氧化磷酸化（OXPHOS）由于缺氧被抑制，癌細胞傾向于依靠糖酵解為其生存和快速分裂提供ATP[16]。越來越多證據表明線粒體Lon 參與腫瘤發生。線粒體呼吸鏈酶復合物是胞內ROS 的主要來源，ROS 通過破壞m t R N A、脂質和蛋白質造成線粒體紊亂。對于癌細胞，L o n 的上調可有效去除異常蛋白以確保其線粒體穩態，維持或促進癌細胞生長。相反，L o n 下調能夠降低增殖和代謝。因此，線粒體依賴的Lon 蛋白酶可作為癌癥診斷的潛在生物標志物及抗癌藥物開發新靶點，以預測各類癌癥化療的效率和效果[17]。

6.Lon與細胞凋亡

在應激狀態下，Lon 參與調節細胞存活和凋亡。研究發現過氧化氫、低氧和紫外線輻射下會使Lon 水平升高從而抑制細胞凋亡并增強細胞存活。而用紫外線處理Lon 過表達細胞和正常細胞，發現Lon 過表達細胞中凋亡細胞明顯減少，進一步確認Lon 能保護細胞免受紫外線誘導的細胞凋亡。

線粒體Lon 除降解蛋白作用外，還具有分子伴侶功能。有證據表明各種應激反應誘導p53 轉運到線粒體，并激活凋亡途徑。T-Y Kao 等人通過免疫共沉淀和免疫熒光共定位反應證實了Lon 和HSP60-mtHSP70 復合物的相互作用，該復合物的蛋白穩定性取決于氧化應激下Lon 的水平。且Lon 抑制細胞凋亡的能力取決于與p53 結合的HSP60，表明Lon 調節細胞存活的機制是由HSP60-mtHSP70 復合物的蛋白穩定性介導的[18]。Lon 的抗凋亡作用與其促腫瘤作用密切相關[19]。

7.展望

依賴ATP 的線粒體Lon 蛋白酶表現出很多線粒體功能調節作用，包括降解異常蛋白，維持mtDNA 完整性和生物能代謝。Lon 對維持細胞穩態起著重要作用，其對腫瘤的生長調節尤為受到關注。至今還沒有發現Lon 蛋白酶的特異性抑制劑，但有幾種蛋白酶體抑制劑，包括廣泛使用的20S 蛋白酶體抑制劑MG132 可擴散到線粒體中并抑制線粒體類固醇生成急性調節蛋白（STAR）的表達，后者是Lon 蛋白酶的內源性底物，提示蛋白酶體和Lon 蛋白酶在蛋白水解機制上可能有相似之處。今后基于Lon 蛋白酶的高通量藥物篩選模型的建立以及從天然產物和合成小分子化合物庫中尋找Lon 蛋白酶特異性抑制劑和激活劑,無疑會加快Lon 蛋白酶作用分子機制的全面和深入研究,并將促進相關藥物的開發[20]。