去泛素化酶及其相關通路與疾病的研究進展

黃曉悅，全裕鳳

（桂林醫學院，廣西 桂林）

0 引言

蛋白質翻譯后修飾（post-translational modification，PTM）在生命體的基因表達、信號轉導、細胞分裂等基本活動中均具有十分重要的作用[1]。蛋白質泛素化（ubiquitination）是一種常見的蛋白質翻譯后修飾[2]。泛素-蛋白酶體途徑 （ubiquitin-proteasome pathway，UPP）是一種依賴ATP 進行的，具有特異性和選擇性的細胞內蛋白質降解途徑，其主要通過作用于細胞內一些短壽蛋白和一些結構異常、錯構或受損傷的蛋白，以共價結合的形式聯結多個泛素（ubiquitin）分子，形成靶蛋白多聚泛素鏈即泛素化（ubiquitination）后，底物將被輸送到26S 蛋白酶體上消化降解[3]。這一途徑參與并調控了真核生物體內眾多重要的生命活動，除了調控細胞周期、免疫應答、基因轉錄、細胞受體功能、炎癥反應等過程[4]，UPP 還參與了多種疾病發生發展的過程，如高氧肺損傷[5]、視網膜發育不良[6]、乳腺癌[7]、神經退行性病變[8]等。

去泛素化酶（deubiquitinating enzymes， DUB）的存在使泛素化修飾成為一個被嚴格調控的可逆過程。去泛素化酶可通過切割多聚泛素鏈或者從修飾的底物蛋白中去除泛素，逆轉泛素化過程，起到去泛素化的作用，逆向調節了蛋白降解途徑，從而影響了細胞內蛋白質的功能。去泛素化酶可以影響或調節眾多細胞生物學過程，如細胞的基因表達、生長發育、細胞周期、信號轉導、神經病變或腫瘤的發生等[9]。

1 去泛素化酶的分類

去泛素化酶是一類數量眾多的蛋白酶家族，根據其催化結構域的不同，主要分為以泛素特異性加工酶家族和泛素羧基末端水解酶家族為主的6 個亞家族[10]，包括泛素-特異性蛋白酶家 族（ubiquitin-specific proteases，USPs）、泛 素 羧 基 末 端 水 解酶家族（ubiquitin C-terminal hydrolases，UCHs）、卵巢腫瘤蛋白酶家族（ovarian tumor proteases，OTUs）、MJD 結構域蛋白酶家族（Machado-Josephdisease protein domain proteases，MJDs）、MINDY 蛋白酶家族（MIU-containing novel DUB family）和JAMM蛋白酶家族（JAB1/MPN/MOV34 proteases），其中，除JAMM 是鋅金屬肽酶外，其余5 個去泛素化酶家族均為半胱氨酸肽酶[11]。

2 去泛素化酶的作用機制

去泛素化酶通過修剪泛素鏈或從修飾底物中特異性去除泛素來調節泛素信號[12]，其主要作用于泛素-蛋白酶體系統中泛素化修飾后的蛋白底物，通過識別泛素分子、蛋白底物或者蛋白酶體的特異性序列，水解聚泛素鏈，將泛素蛋白從靶蛋白上解離出來，重新進入細胞內蛋白調節的循環中[13]。DUB 除了能特異性識別泛素分子的羧基末端，還可與泛素疏水區周圍的大片區域相互作用，從而將底物上的泛素分子釋放出來。它還可抑制E3 連接酶的連接功能，主要是通過切割靶蛋白上的賴氨酸殘基與泛素的C 末端之間的肽鍵連接來實現的，影響了底物與泛素鏈的連接，以達到去泛素化的目的，從而增強了蛋白底物的穩定性[14]。此外，與一些特異性蛋白的結合可以使去泛素化酶間接激活，而這些特異性蛋白可引導去泛素化酶進入特別的途徑或者幫助它們定位于特異性位點，從而達到逆轉蛋白質降解的目的[9]。由于去泛素化酶家族種類及其功能的復雜性，其具體的作用機制未十分明確，仍需我們不斷的研究。

3 去泛素化酶相關信號通路及疾病

3.1 Wnt/β-catenin 信號通路

Wnt 信號通路作為一條高度保守的信號轉導通路途徑，參與了動物個體發育各階段及發育成熟器官的病理生理過程的調節，其中包括了胚胎的生長發育、組織結構的穩定、能量代謝的平衡以及干細胞的維持等過程，Wnt 信號通路的異常激活與人類多種重大疾病有著密不可分的聯系[15]。β-catenin 作為經典Wnt 信號通路的關鍵因子，其在胞質內富集并向細胞核內轉移是Wnt 信號通路活化的標志。正常情況下，體內β-catenin 含量的穩定可通過泛素-蛋白酶體途徑來維持。當去泛素化酶表達增加時，就會導致β-catenin 含量增加，從而導致相關疾病的發生。例如，轉錄因子Tcf/lef 家族介導Wnt/β-catenin 通路，參與脊椎動物胚胎發生和翻譯后修飾等生物學過程。泛素羧基末端水解酶家族中的UCH37與轉錄因子7 特異性結合，并使其去泛素化，激活Wnt/β-catenin信號傳導途徑，從而使β-catenin 含量增加，進而導致細胞增殖異常及腫瘤的發生[16]；USP7 也可以通過對β-catenin 去泛素化，在Wnt 信號傳導中起積極作用，促進結直腸腫瘤的生長[17]，而其特異性抑制劑P5091 可通過增強β-catenin 的泛素化和亞序列降解而減弱Wnt 信號途徑轉導的能力，抑制了結直腸癌細胞的增殖并誘導凋亡[18]。另有研究表明，高氧暴露早期大鼠肺組織中泛素-蛋白酶途徑被激活，并參與了肺損傷過程[5]，而以β-catenin 為中心的Wnt/β-catenin 信號途徑也被證實了參與支氣管肺發育不良（bronchopulmonary dysplasia，BPD）的發生[19]。

3.2 TGF-β 信號通路

轉化生長因子β （transforming growth factor-β， TGF-β）是一類具有多種生物學活性的細胞因子， TGF-β 信號通路在調節胚胎發育、細胞增殖和凋亡、免疫應答、傷口修復等過程中均起著關鍵性作用。通常情況下，TGF-β 在腫瘤組織中的表達量較正常組織升高[20]。TGF-β 信號通路與去泛素化酶密切相關，絕大多數的DUB可以通過減少相關分子的降解，使得TGF-β 的濃度維持在一個高水平，從而導致了腫瘤的發生和轉移。如，USP15 是TGF-β 受體（TGF-β receptor，TβR）的去泛素化酶，是TGF-β 信號通路的關鍵組成部分。USP15 的高表達與TGF-β 高活化相關，在膠質母細胞瘤、乳腺癌和卵巢癌中均發現了USP 15 基因過度表達。在患有膠質母細胞瘤的個體中，USP15 過度表達提示了預后不良的可能。膠質母細胞瘤患者源性原位小鼠模型中，下調或抑制USP15 可降低TGF-β的活性。此外，由于TGF-β 信號的抑制，USP15 的消耗降低了源自患者的神經膠質瘤引發細胞的致癌能力。結果表明，USP15 通過調節TGF-β 通路，是膠質母細胞瘤發病機制的一個關鍵因素[21]。另有研究表明，Smad 特異性E3 泛素蛋白連接酶2（SMURF2）是USP15 在TGF-β 通路中的關鍵靶點。USP15 不僅可以直接靶向作用于TβR；還能使SMURF2 去泛素化后在接觸反應中失活，TβR 的穩定性得以提高；兩者共同作用提高了TGF-β 受體含量，與腫瘤的形成有著密不可分的關系[22]。但并非所有的去泛素化酶都會對腫瘤的發生起促進作用，其中有一小部分可抑制腫瘤的發生。腫瘤抑制因子（cylindromatosis，CYLD）就是其中之一，它作為Wnt/β-catenin和NF-κb 信號傳導途徑的負調節因子，對多發性骨髓瘤（MM）細胞的增殖和存活有抑制作用，為治療MM 提供了一個靶點[23]。此外，CYLD 還是Smad 的一種去泛素化酶，而Smad7 又作為TGF-β 通路的負性調控因子，因此CYLD 水平的改變對癌癥的發生發展存在一定的意義[24]。TGF-β 通路的異常活化，還可導致纖維性病變的發生，南玲[25]研究發現：去泛素化酶家族中的UCH-L5 能使Smad2、Smad3 蛋白去泛素化，增強TGFβ-1 信號通路轉導，促進了肺纖維化；而UCH-L5 抑制劑b-AP15 則能夠減弱TGFβ-1 信號轉導，從而減輕博來霉素誘發的肺纖維化小鼠肺纖維化程度。因此，推測UCH-L5 可能是治療特發性肺纖維化新的治療靶點。

3.3 Akt 信號通路

蛋白激酶B（protein kinase B， Akt） 是一種絲氨酸/蘇氨酸特異性蛋白激酶，是胰島素等生長因子的重要細胞內信號轉導體，在葡萄糖代謝、細胞的增殖、代謝、轉錄、遷移和凋亡、血管生成、腫瘤侵襲等多種過程發揮重要作用[26]。UCH-L1 可以提高細胞的生存、遷移和增殖能力，除了在神經元中高表達外，還在人類多種癌細胞中都存在高表達現象。研究表明，UCH-L1 通過提高Akt 信號通路的表達來促進癌細胞的生長[27]。

3.4 NF-κb信號通路

核因子κB （nuclear factor kappa B，NF-κB）是轉錄因子蛋白家族中的一員，普遍存在于多種組織細胞中，是重要的誘導性轉錄因子。除了參與機體正常的免疫反應、炎癥級聯反應、氧化應激、細胞生長、增殖和凋亡等生理過程外，NF-κb 還與哮喘、（類）風濕性關節炎、心血管疾病、神經退行性疾病及癌癥等疾病有著密切聯系。鋅指蛋白A20 是炎性反應的內源性調控蛋白和組織細胞保護性蛋白，其抑制NF-κb 信號通路的作用主要是通過阻止NF-κb 信號通路上游因子的泛素化過程來實現的[28]。朱曉丹等[29]研究表明，若A20 基因表達受抑制，則可致肺泡巨噬細胞NF-κB 活性升高，從而使TNF-α、IL-1β 表達及分泌增加；反之，當A20 基因過表達時，肺泡巨噬細胞NF-κb 活性則被抑制，TNF-α、IL-1β 表達和分泌減少；A20 蛋白可以通過抑制肺泡巨噬細胞炎癥反應活性，進而減輕了肺損傷。OTUs 中的OTUD7B（又稱Cezanne）能通過對腫瘤壞死因子受體相關因子3 去泛素化作用，從而阻止異常的非經典NF-κb 途徑激活[30]。當OTUD7B 被沉默后，腫瘤壞死因子受體相關因子6 活動增強，NF-κb 信號通路活化從而促使炎性基因表達。因此，抑制TRAF6 泛素化的分子機制是減少缺氧組織炎癥的潛在治療靶點[31]。

4 前景與展望

蛋白質去泛素化與泛素化的動態平衡與穩定，在機體眾多生命活動的過程中扮演了一個相當重要的角色。近年來研究相關疾病與Dubs 之間的關系已成為熱點。Dubs 在蛋白質轉換、定位和細胞內穩態等多種細胞過程中具有重要的作用，是一種很有前途的治療靶點。但其致病機理及其疾病的發展中具體機制尚未十分明確，仍需我們進一步深入研究。因此，研究Dubs 及其相關通路與疾病的關系，有望研究出一些有效的治療靶點和藥物，可能為疾病的治療和預防提供新的線索。