線粒體、高爾基體及內質網中UBIAD1蛋白的生理作用研究進展

梁青云，許志亮，張遠起

1 廣東醫科大學，廣東湛江 524000；2 廣東醫科大學附屬醫院血管甲狀腺乳腺外科；3 廣東醫科大學附屬醫院臨床研究實驗中心

UBIAD1 蛋白是維生素K2和輔酶Q10 的生物合成酶［1-2］，其基因表達由轉錄因子陰陽1 所調控［3］，參與膽固醇代謝［4］、氧化平衡［5］及細胞信號轉導等生物學過程。UBIAD1 蛋白在不同的細胞定位于不同的亞細胞器，從而發揮不同的功能。研究者們先后發現，UBIAD1 蛋白定位于人成骨細胞樣細胞MG63 的內質網上促進維生素側鏈交換催化維生素K1轉換為維生素K2［6］；定位于人角膜實質細胞［7］及果蠅衍生的S2 細胞中的線粒體［8］可對維生素K2的合成及線粒體呼吸鏈電子傳遞發揮一定作用；定位于人類內皮細胞的高爾基體［5］合成非線粒體型輔酶Q10，通過一氧化氮發揮抗氧化作用。研究［9-11］顯示，UBIAD1 蛋白的異常表達與多種細胞病理過程相關，且與腫瘤、脂代謝紊亂、氧化應激及多種心腦血管疾病等密切相關，但UBIAD1 蛋白的亞細胞定位與多種疾病的關系尚未明確。了解不同亞細胞器中UBIAD1 蛋白的作用有助于為后續挖掘UBIAD1 作為其相關疾病的治療靶點提供理論依據。本研究就近年線粒體、內質網及高爾基體中UBIAD1 蛋白生理作用的研究進展進行以下綜述。

1 線粒體中UBIAD1蛋白的生理作用

UBIAD1 蛋白可參與維持線粒體結構穩定及調控脂質代謝［8］。線粒體的結構正常是保證信號傳遞的前提［12-13］。研究發現，果蠅的heix 基因突變（ubiad1 在果蠅的同源基因，果蠅體內維生素K2的生物合成者之一）可使果蠅生物模型的線粒體膜電勢及ATP 合成能力下降，發生飛行能力障礙［14］。通過檢測線粒體的形態發現，heix 基因突變導致線粒體結構崩潰及缺陷，而予heix 基因突變體果蠅喂養維生素K2發現其生存率大幅度提高并彌補其他細胞水平上的缺陷，從而說明HEIX 蛋白及其合成的維生素K2在維持果蠅線粒體結構方面不可或缺，可在一定條件下修補由于帕金森癥相關基因pink1 缺失所導致電子傳遞及ATP 的合成障礙［15］。另外也有研究［16］報道，維生素K2可以修飾線粒體結構蛋白Bax，進而影響線粒體結構。而人類UBIAD1 蛋白突變也可能影響線粒體功能［7］。通過使用電子顯微鏡分析施耐德結晶狀角膜營養不良癥患者角膜樣本發現，其線粒體囊性腫脹，但機制尚不清楚［17］。此外，UBIAD1蛋白定位于細胞線粒體與線粒體蛋白TBL2相互作用［18］，進一步穩定細胞線粒體結構。以上研究說明UBIAD1 蛋白在維持線粒體結構和平衡氧化還原循環中具有重要作用。

另外，UBIAD1 蛋白定位于細胞線粒體，通過線粒體信號調節細胞內脂質和甾醇的代謝流程，影響細 胞 內 膽 固 醇 的 含 量。FREDERICKS 等［19］通過miRNA敲低細胞UBIAD1蛋白及TBL2的表達，發現UBIAD1 及TBL2 蛋白水平降低可引起人胚腎細胞株HEK293細胞膽固醇水平增加，這表明UBIAD1蛋白在線粒體上定位具有調節膽固醇的潛力，但其具體機制尚不明確。

2 高爾基體中UBIAD1蛋白的生理作用

高爾基體中UBIAD1蛋白可合成輔酶Q10，調節氧化應激。UBIAD1 定位于高爾基體合成非線粒體輔酶Q10，調節內皮型一氧化氮合酶（eNOS）活性，影響細胞活性氧（ROS）合成，避免細胞發生脂質過氧化損傷。MUGONI等［5］發現，內源性UBIAD1與高爾基體特異標志物TGN46 在人內皮細胞（ECs）內精確共定位，表明UBIAD1 蛋白位于高爾基體。將13C6 標記的4-羥基-苯甲酸與人內皮細胞共孵育后檢測其新合成的輔酶Q10，發現當UBIAD1表達減少時，高爾基體區合成的CoQ10-13c6 較線粒體組減少；另外，在人內皮細胞的亞細胞碎片中，發現只在高爾基體抽提物中檢測到UBIAD1 蛋白，線粒體抽提物中沒有檢測到UBIAD1 蛋白。斑馬魚中質譜同位素實驗分析發現，UBIAD1 蛋白缺失突變的斑馬魚的輔酶Q10 含量明顯降低，但體外補充輔酶Q10可以拯救缺失斑馬魚的表型。上述研究表明在高爾基體上定位的UBIAD1 蛋白具有非線粒體輔酶Q10 異戊烯轉移酶活性。通過他汀類藥物抑制甲羥戊酸途徑降低UBIAD1 蛋白的底物香葉基香葉基焦磷酸，可以促使正常斑馬魚發生類似UBIAD1蛋白缺失的表型，進一步說明UBIAD1 蛋白可以利用香葉基香葉基焦磷酸合成輔酶Q10。輔酶Q10是唯一一種內源合成的脂溶性抗氧化劑。PEPE等［20］發現，輔酶Q10 在心血管系統中發揮重要的抗氧化作用。

研究者通過敲除內皮型一氧化氮合酶蛋白和利用內皮型一氧化氮合酶活性抑制劑精氨酸甲酯（LNAME）處理bar（ubiad1 基因在斑馬魚中的同源基因）基因突變的斑馬魚，發現突變體心血管的氧化壓力及活性氧水平可被改善，這表明在心血管抑制內皮型一氧化氮合酶可以阻止因UBIAD1 蛋白在血管細胞中的表達下降導致的氧化損傷，這可能是因為缺乏UBIAD1 蛋白所生成的輔酶Q10 會導致內皮型一氧化氮合酶解耦，一氧化氮合成減少，導致血管細胞活性氧超載，發生脂質過氧化及鐵死亡。由此可見，在心血管發育和內穩態過程中，UBIAD1 蛋白、輔酶Q10 和一氧化氮信號通路之間存在聯系，即UBIAD1 蛋白在高爾基體中利用香葉基香葉基焦磷酸產生的輔酶Q10可作為內皮型一氧化氮合酶電子載體，將過多的氧氣轉化為一氧化氮，從而避免活性氧超載，防止細胞發生氧化損傷。

3 內質網中UBIAD1蛋白的生理作用

內質網中的UBIAD1蛋白可通過與3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶a 還原酶結合平衡脂質代謝。UBIAD1 蛋白定位于內質網時，甾醇可刺激其與內質網中的3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶a 還原酶結合，以避免3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶a還原酶受內質網相關降解影響，刺激甲羥戊酸合成以補充香葉基香葉基焦磷酸。法尼基焦磷酸和香葉基香葉基焦磷酸可共價連接許多細胞蛋白，是非甾醇類異戊二烯（如泛醌、血紅素、多萜醇和MK-4）生產的中間體。非固醇類異戊二烯作為腫瘤細胞增殖、遷移和血管生成的重要調節因子，參與調節細胞增殖和遷移的信號轉導途徑，對于維持細胞活力至關重要。細胞必須不斷產生非固醇類異戊二烯以保證細胞的最佳功能，但同時需要避免膽固醇或其他固醇前體的潛在毒性過度積累，引發不溶性晶體的形成，導致細胞死亡。這通過一個多價反饋系統來實現，反饋控制的一部分涉及3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶a 還原酶的內質網相關降解。UBIAD1 被認為是3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶a 還原酶內質網相關降解途徑和類異戊二烯合成調節的核心參與者。人成纖維細胞中UBIAD1 的缺失會加速3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶a還原酶的內質網相關降解，導致膽固醇合成減少和細胞內積累。

共免疫沉淀研究［21］發現，甾醇刺激3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶a還原酶Insigs蛋白和UBIAD1蛋白形成多蛋白復合物。這種結合保護一部分3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶a 還原酶免受內質網相關降解，以合成有限量的甲羥戊酸。與甾醇分支中的酶相比，甲羥戊酸代謝的非甾醇分支中的酶的高底物親和力促進該甲羥戊酸優先合成香葉基香葉基焦磷酸和其他非甾醇類異戊二烯［2］。一旦香葉基香葉基焦磷酸在內質網膜內積累到足夠的水平， 就會與UBIAD1蛋白結合，從而引發3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶a 還原酶復合物解離。失去保護的3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶a還原酶會進行內質網相關降解，UBIAD1蛋白則從內質網進入高爾基體；當香葉基香葉基焦磷酸在細胞中耗竭后，UBIAD1 蛋白會從高爾基體逆行轉運到內質網。YOUNGAH［4］認為這是因為UBIAD1 蛋白在高爾基體和內質網之間不斷循環，使其能夠不斷監測嵌入內質網膜中的香葉基香葉基焦磷酸水平。在香葉基香葉基焦磷酸耗盡后，UBIAD1蛋白被隔離在內質網中，但確切的分子機制尚未明確［7］。施耐德結晶狀角膜營養不良癥相關突變體UBIAD1（N102S）并不會由于香葉基香葉基焦磷酸含量增加而離開內質網，反而繼續在內質網與3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶a 還原酶結合，即施耐德結晶狀角膜營養不良癥相關的UBIAD 蛋白被隔離在內質網中，導致3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶a 還原酶的內質網相關降解被抑，從而促進膽固醇的合成和積累。隨后的研究［22］表明，其他19 個與施耐德結晶狀角膜營養不良癥相關的UBIAD1 蛋白突變體同樣阻斷了3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶a還原酶的內質網相關降解。研究［23］認為，UBIAD1 蛋白介導的對3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶a還原酶的內質網相關降解的抑制可能是與施耐德結晶狀角膜營養不良癥相關的膽固醇積累的基礎。UBIAD1 蛋白從內質網到高爾基體的轉運可能具有重要的臨床意義。這對于未來研究模擬香葉基香葉基焦磷酸觸發UBIAD1 蛋白向高爾基體轉運中的藥物是否會加速3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶a 還原酶的內質網相關降解，并減輕伴隨他汀類藥物治療所積累的3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶a 還原酶以及治療施耐德結晶狀角膜營養不良癥角膜異常累積膽固醇提供了一個重要的研究方向。

綜上所述，不同空間定位的UBIAD1 蛋白功能不同。在線粒體可合成維生素K2，維持線粒體結構和細胞內正常能量供應；在高爾基體合成抗氧化劑輔酶Q10，通過抗氧化及減少缺血再灌注引起的氧化應激和細胞凋亡以保護心血管；在內質網與3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶a 還原酶相互作用，通過抑制3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶a 還原酶的內質網相關降解調節細胞脂質代謝。但目前相關研究并不能明確UBIAD1 蛋白的亞細胞定位與疾病發生發展的關系，未來需要進一步深入研究。