线粒体未折叠蛋白反应机制研究综述,分子生物学论文

　　线粒体几乎存在于所有的真核细胞中，对于维持细胞功能具有举足轻重的作用。除了ATP合成、氨基酸、脂肪酸和核酸代谢外，线粒体独特的双层膜结构是介导细胞凋亡和天然抗病毒免疫独一无二的信号传导平台。线粒体大约含有1 500种蛋白质，其中线粒体基因组（mitochondrial DNA,mtD-NA）编码了13种参与三羧酸循环的酶类，其他大部分蛋白由核基因组编码，并转运到线粒体[1].因此维持蛋白质的正确折叠对于维持线粒体功能及细胞存活具有重要作用。不同的细胞器有各自的信号通路调控蛋白质稳态，如内质网未折叠蛋白反应（UPRER）、线粒体未折叠蛋白反应（UPRmt）。线粒体未折叠蛋白反应是在应激条件下，线粒体基质积累后产生大量未折叠或错误折叠的蛋白质，导致核基因编码的线粒体分子伴侣蛋白HSP60、HSP70等表达量上调，帮助发生错误折叠的蛋白恢复正常蛋白构象及协助新合成的蛋白发生正确折叠的线粒体至核的信号传导过程[2].

　　1酿酒酵母中的逆行反应基因

　　逆行反应（retrograde response）是指在酿酒酵母中由于电子转移链（ETC）存在缺陷，引起代谢相关基因转录水平上调以维持谷氨酸盐和乙酰辅酶A（acetyl-CoA）正常供应的反应[3].酿酒酵母中的逆行反应主要受3个基因的控制：逆行反应基因1p（Rtg1p）、逆行反应基因2p（Rtg2p）及逆行反应基因3p（Rtg3p）。

　　Rtg1p和Rtg3p是基本的螺旋-环-螺旋-亮氨酸拉链转录因子，其通过形成转录复合物并结合在靶基因启动子R box序列上，进而激活靶基因转录。正常情况下Rtg1p和Rtg3p定位于细胞质中且Rtg3p处于高度磷酸化而失活；而当ETC存在缺陷，线粒体处于应激状态下，Rtg3p磷酸化程度降低，并与Rtg1p一起转移至核，发挥其转录调控活性[4].

　　Rtg2p含有一个N端ATP结合结构域，该结构域对于Rtg2p功能的发挥具有重要作用。现有研究果表明Rtg2p作为Rtg1p、Rtg3p的上游调控基因，能感知线粒体内膜电势的变化，进而触发Rtg1p和Rtg3p的核转位及其功能的发挥，但Rtg2p具体的调控机制尚不清楚[5].逆行反应能诱导大量与代谢相关基因的表达，但却对线粒体分子伴侣和线粒体蛋白酶的表达无显着影响。酿酒酵母中的逆行反应见图1.

　　2哺乳动物细胞中的未折叠蛋白反应
　　
　　2002年Zhao等[2]通过超表达线粒体基质定位的末端错误折叠的鸟苷酸转氨甲酰酶证明了线粒体未折叠蛋白反应的存在，未折叠蛋白在线粒体基质中的积累导致了线粒体分子伴侣热休克蛋白10（HSP10）、热休克蛋白60（HSP60）、mtDnaJ和线粒体蛋白酶ClpP基因的高表达，但却不影响细胞质和内质网分子伴侣的表达。生物信息学分析发现这些基因启动子区含有一个转录因子CHOP、C/EBP结合的结构域。

　　CHOP、C/EBP的启动子区含有一个激活蛋白（activator protein 1,AP1）结合位点，该结合位点对CHOP、C/EBP在线粒体未折叠蛋白反应中的作用不可或缺，而c-JNK能结合在AP1结合位点（图2），进一步揭示了JNK信号通路在线粒体未折叠蛋白反应中的重要调控作用[6].

　　Papa等[7]研究证实了线粒体内膜间隙存在特异的未折叠蛋白反应，错误折叠的蛋白质在内膜间隙的积累能导致AKT的磷酸化及核雌激素受体α的活化，最终导致转录因子Nrf1转录激活线粒体内膜定位的蛋白酶HtrA2表达上调。除此之外，在线粒体内膜间隙应激条件下，蛋白酶体的活性增强，提示，定位在线粒体内膜间隙的蛋白质在输入线粒体之前首先发生泛素化修饰。最新研究发现去乙酰化酶SIRT3也能调控线粒体未折叠蛋白反应，SIRT3的这种调控作用主要是通过调控抗氧化应激和线粒体自噬实现的，不依赖于CHOP和雌激素受体[8].1788
　　
　　虽然这些研究为线粒体未折叠蛋白反应的信号传导提供大致框架，但仍然有很多问题是这一领域的研究热点，如细胞通过怎样的分子机制感受线粒体应激信号并将此信号传导至细胞核；现有的线粒体未折叠蛋白反应大都在体外培养的细胞系中研究发现，在有机体内是否存在相似的分子机制介导线粒体未折叠蛋白反应却尚未见报道。

　　3线虫中的线粒体未折叠蛋白反应机制

　　为了进一步剖析线粒体未折叠蛋白反应的分子机理，Yoneda等[10]以线虫为模式生物进行研究，结果发现在应急条件下，线粒体内未折叠蛋白的积累导致线粒体分子伴侣蛋白的表达量提高，而敲除线粒体质量控制蛋白酶ClpP不能诱导线粒体分子伴侣蛋白的表达。

　　ClpP能识别错误折叠的蛋白并将其降解为8~20个氨基酸的多肽。在线虫中的研究发现，这些积累在线粒体基质中的多肽能通过ATP结合运输分子HAF-1转运到内膜间隙[9]. 但HAF-1只是在线粒体未折叠蛋白反应的起始阶段发挥作用，该信号由线粒体传导至细胞核需要应激相关转录因子ATFS-1（ZC376.7）的参与。正常情况下ATFS-1转运至线粒体并被Lon蛋白酶降解，当线粒体处于应激条件下，一部分ATFS-1在细胞质累积，由于ATFS-1含有核定位序列能转移至细胞核，并且调控大量相关基因的转录以减轻线粒体应激给细胞造成的影响[11].同时ATFS-1也介导tim-17和tim-23的转录上调，tim-17和tim-23组成的复合物介导ATFS-1的线粒体输入，降低ATFS-1在细胞质中的积累[12].
　　
　　此外，调控线粒体分子伴侣基因的表达还需要另一个转录复合物的参与，该转录复合物由转录因子DVE-1和类泛素蛋白UBL-5组成。DEV-1定位在核仁，当发生线粒体未折叠蛋白反应时，DEV-1在细胞核发生重分布，结合在线粒体分子伴侣基因启动子区，调控相关基因的表达[13].

　　DEV-1核重分布过程依赖于ATFS-1的表达，但不依赖于HAF-1的表达，然而ubl-5的表达上调却同时依赖于ATFS-1和HAF-1[14].在哺乳动物细胞中存在DEV-1和ubl-5的同源物，分别是SatB2和UBL-5[13],他们也能形成类似于线虫中的复合物，但是否在线粒体未折叠蛋白反应中发挥类似的功能却尚未见报道。线虫中的线粒体未折叠蛋白反应见图3.线虫中的研究也发现添加烟酰胺或PARP抑制剂诱导了线虫线粒体未折叠蛋白反应的激活，这种作用主要是通过激活去乙酰化酶sir2.1及转录因子FOXO和DAF-16实现的[15].sir2.1在延缓衰老中的作用已得到了广泛认可，这一研究也暗示了线粒体未折叠蛋白反应与衰老的密切关系。

　　4线粒体未折叠蛋白反应与线粒体自噬、天然免疫的相互关系

　　线粒体参与细胞内的多种信号通路，如细胞凋亡、干扰素信号通路等。而近年来的研究发现功能受损的线粒体主要通过线粒体自噬途径降解，以此来维持细胞内线粒体网络的稳态。在哺乳动物细胞中线粒体自噬主要是由PINK1/Parkin介导的，正常情况下PINK1被输送到内膜间隙并被降解，在线粒体去极化的情况下，PINK1在线粒体外膜积累，并招募胞质中的Parkin定位在线粒体表面，Parkin进而发挥其泛素连接酶活性，泛素化多种线粒体外膜蛋白，该泛素化的线粒体被自噬体识别进而通过自噬溶酶体降解[17].值得注意的是，能够诱导线粒体未折叠蛋白反应的刺激也最终能够诱导线粒体自噬的发生，如线粒体DNA缺失、线粒体电子转移链复合物突变、线粒体内积累大量错误折叠的蛋白质等应激信号不仅激活线粒体未折叠蛋白反应，同时也触发了线粒体自噬的发生[18-20].由于线粒体未折叠蛋白反应通过一系列的应激保护机制来提高线粒体的功能，而线粒体自噬主要是清除功能严重受损的线粒体，因此，线粒体未折叠蛋白反应可能先于线粒体自噬被激活，若线粒体未折叠蛋白反应不足以改善线粒体应激，则这种功能受损的线粒体则经过线粒体自噬的途径降解，而进一步的线粒体损伤导致细胞发生程序性凋亡。

　　线粒体是细胞内重要的免疫细胞器，已有大量研究结果表明线粒体及线粒体信号通路在天然免疫和获得性免疫中发挥重要作用[21-22].而线粒体未折叠蛋白反应能够维持线粒体网络的稳态，进而在天然免疫和获得性免疫中发挥作用。在线虫中的研究发现ATFS-1介导的线粒体未折叠蛋白反应能调控天然免疫诱导产生微生物多肽及溶酶体酶来抵抗病原微生物的感染[23].在小鼠中的研究发现线粒体未折叠蛋白反应与蛋白激酶PKR协同作用调控小肠上皮细胞的炎性反应[24].尽管在哺乳动物细胞中的研究发现热休克蛋白（HSP）在激活天然免疫过程中发挥重要作用，但哺乳动物中线粒体未折叠蛋白反应是否参与天然免疫抵抗病原微生物感染还需要进一步的研究。

　　5展望

　　线粒体未折叠蛋白反应是一个线粒体到细胞核的信号传导过程，有助于维持线粒体内蛋白质的稳态及细胞存活。尽管参与调控线粒体未折叠蛋白反应的主要分子已被鉴定出来，但仍然有很多悬而未决的问题。与RTG3一样ATFS-1含有一个富含丝氨酸的结构域，该结构域的磷酸化状态是否会影响ATFS-1功能的发挥却没有相关报道，到目前为止尚未发现相关的磷酸化酶调控ATFS-1的磷酸化状态。线粒体是细胞内重要的细胞器之一，许多疾病的发生都与线粒体的功能状态密切相关。线粒体激酶PINK1的突变会导致帕金森疾病的发生[17],线粒体肌病（myopathy）则是由于线粒体储铁蛋白ftataxin的突变引起的[25].而有研究发现呼吸链复合物突变能够诱导线粒体未折叠蛋白反应的发生，同时延长线虫、果蝇和小鼠的寿命，这可能是由于激活了细胞中某些保护性机制的原因[26].因此深入研究这些机制将为治疗线粒体疾病及延缓衰老提供新的思路。