研究發現泛素信號調節細胞自噬、感應泛素脅迫新機制

　　5月5日，學術期刊《細胞研究》（Cell Research）正式發表了中國科學院上海生命科學研究院生物化學與細胞生物學研究所胡榮貴研究組的最新研究成果Ubiquitylation of p62/Sequestosome1 Activates Its Autophagy Receptor Function and Controls Selective Autophagy Upon Ubiquitin Stress。該項研究闡述了泛素信號在自噬受體水平調控細胞自噬的新機制，揭示了細胞內起核心作用的自噬受體蛋白p62作為感應泛素脅迫感應器調控細胞選擇性自噬活性，應對藥物、熱激(heat shock)等生理病理相關脅迫的基本的分子機制。

　　自上世紀六十年代，泛素(Ubiquitin, Ub)分子被首次發現以來，人們發現泛素作為一類重要信號分子，通過泛素激活酶(E1)、泛素偶聯酶(E2)、泛素連接酶(E3)順序催化的泛素化修飾(Ubiquitylation或ubiquitination)以及去泛素化酶參與的去泛素化修飾(deUbiquitylation或deubiquitination)，以可逆、可誘導的方式調節細胞內幾乎所有重要的生命活動。泛素化信號的異常與腫瘤、神經退行性疾病、神經認知遺傳缺陷如孤獨癥等密切相關，但其機理目前的認識卻尚處于不斷深入的階段。在真核生物中都可有多個基因編碼泛素蛋白，是細胞內含量最高的基因編碼的產物之一，達到近500μM。在細胞內主要以自由和偶聯的兩種方式存在，多項研究表明，胞內泛素分子的豐度及穩態變化在細胞內外不同生理病理刺激的作用下，呈現復雜多樣的變化，被統稱為泛素脅迫(Ub stress)。例如，當細胞處于熱激、藥物處理、衰老、病原體感染等狀態下，細胞內的泛素基因的轉錄水平顯著變化，在亞細胞水平的穩態分布也會發生異常改變。研究表明，胞內泛素水平異常也會影響從酵母到人類細胞或機體生命活動的諸多方面，例如泛素基因突變或水平不足的小鼠，小鼠則表現為神經退行性疾病癥狀以及肝臟發育缺陷；泛素過表達的細胞則表現出類干細胞的某些特征、影響腫瘤細胞的藥物反應，但是分子機制一直都不清楚。

　　胡榮貴研究組博士彭虹、楊嬌作為共同第一作者，首先發現泛素脅迫在接受化療的腫瘤病人的細胞內真實存在。他們接下來進一步定義了泛素脅迫的概念，將多種影響細胞內泛素穩態的條件根據泛素總體水平被上調還是下調分別定義為正向泛素脅迫(Ub+ stress)和泛素負向脅迫(Ub -stress)。研究發現，正向泛素脅迫如蛋白酶體抑制劑類藥物的腫瘤化療或細胞處于熱激狀況時，細胞內泛素水平明顯上升并伴隨有依賴p62的細胞選擇性自噬的激活；而泛素負向脅迫條件下則細胞自噬被嚴重抑制。

　　進一步研究發現，通常情況下，細胞內最重要的自噬受體蛋白之一p62，通常由于N端的PB1結構域、C端的UBA結構域間的分別結合形成穩定的二聚或多聚體而處于不能與底物結合的自我抑制 (self-inhibitory) 狀態，而使細胞內自噬活性保持較低的水平。他們首次發現P62可以與兩類E2泛素偶聯酶（UBE2D2/UBE2D3）發生特異性的直接相互作用，并發生自泛素化修飾。當細胞內的泛素水平顯著升高時，p62會更加顯著地發生E2-依賴的泛素化，經泛素化修飾的p62蛋白構象會發生改變，C-端的UBA二聚體被打開，而處于可以與泛素化底物結合的活化“active”狀態，從而更有效地募集結合被K63-連接的多泛素鏈修飾的自噬底物。這些研究成果首次揭示p62不依賴與E3的自泛素化修飾，發揮感受泛素脅迫的效應器（Ub stress sensor）的功能，并調控細胞自噬，介導細胞對腫瘤的藥物化療藥物敏感性、熱激效應以及外源微生物侵染等的新的分子機制。

　　該研究組之前報道了具有腫瘤抑制活性的泛素連接酶HACE1可以通過泛素化自噬受體OPTN，調控自噬受體復合物形成，增加細胞自噬途徑降解的通量并抑制多種腫瘤發生發展的機制(Liu et al Cancer Cell 2014)。在揭示了泛素信號調節自噬復合物形成的基礎上，該研究在自噬受體層面揭示了泛素信號調節自噬受體功能開關，調控細胞反應的新機制，不僅幫助人們從機制上理解此前困惑已久的一系列生物學現象，為研究細胞應對各種刺激的分子機制提供了新的研究視角，也可能有助于優化設計通過干預細胞自噬提高腫瘤診療效果的方案。

　　絕大多數實驗室在研究胞內特定蛋白質泛素化及其功能性影響時都會涉及到過表達帶標簽的泛素，而該研究發現，在幾乎所有研究的細胞類型內，如果過表達泛素蛋白，無論有無標簽，到一定的水平都可以導致人為的泛素正向脅迫而激活細胞自噬。很顯然，無論泛素領域內外的人們，都普遍忽略了自噬被人為激活的可能，從而在解釋很多實驗現象時，欠缺完整考慮甚至造成完全的誤導。該項研究明確提醒人們，在研究胞內泛素信號相關的生物學問題時，必須避免因盲目地過表達泛素而在自己的實驗體系內人為激活細胞自噬。

　　研究工作得到哈佛醫學院教授Daniel Finley、歌德大學法拉克福生化所教授Ivan Dikic、新潟大學教授小松雅明，特別是北京軍事醫學科學院張學敏團隊，生化與細胞所研究員何勇寧、黃旲、高大明、王紅艷、惠利健的大力支持。電鏡和動態光散射數據由生化與細胞所何勇寧課題組博士李光一幫助完成。p62蛋白二聚體結構分析由黃旲指導完成。質譜數據由曾嶸課題組成員李青潤以及黃超蘭等協助完成。臨床樣本收集方面得到長征醫院血液科教授侯健團隊和華山醫院中心實驗室博士張弢的大力支持。實驗數據收集過程中得到生化與細胞所公共技術服務中心分子和細胞平臺的技術支持。該研究得到中科院分子細胞科學卓越創新中心、中科院先導計劃(B類)、國家自然科學基金委醫學部的國家杰出青年基金和生命學部項目基金、國家科技部項目、信號傳導網絡協同創新中心提供的經費等支持。

自噬受體蛋白p62感應正向泛素脅迫(Ub+ Stress)，通過不依賴于E3的自泛素化，由自我抑制狀態被激活，調控細胞選擇性自噬功能的分子機制示意圖。