线粒体未折叠蛋白反应的研究进展_李帅峰_胡林_汪加兴_张淑君

收 稿 日 期 ：２０１４－１２－２９ 基金项目：国家自然科学基金（３１２７２４２７）；欧盟 ＦＰ７项目（ＰＩＩＦ－ＧＡ－２０１２－３２８２０５、ＰＩＩＦＲ－ＧＡ－２０１２－９１２２０５ 和 ＦＰ７－ＫＢＢＥ－２０１３－７－６１３６８９） 作者简介：李帅峰（１９８７－），女，河南汝州人，博士，从事病毒感 染 与 细 胞 自 噬 及 线 粒 体 自 噬 等 相 关 研 究 ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈｕａｉｆｅｎｇ６２５ｌｉ＠ｗｅｂｍａｉｌ．ｈｚａｕ．
７ 期
李 帅 峰 等 ：线 粒 体 未 折 叠 蛋 白 反 应 的 研 究 进 展
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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
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
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 结 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
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 研 ［７］ 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］
（华中农业大学动物科学技术学院，农业动物遗传育种与繁殖教育部重点实验室，武汉 ４３００７０）
摘 要 ：线 粒 体 是 细 胞 内 重 要 的 细 胞 器 之 一 ，调 控 多 种 细 胞 内 信 号 通 路 ，然 而 环 境 应 激 会 导 致 线 粒 体 堆 积 并 产 生 大 量错误折叠或未折叠蛋白，造成线粒体功能紊乱。目前研究发现多种由线粒体到 细 胞 核 的 信 号 传 导 通 路 能 够 缓 解 线粒体应激反应，维持线粒体的正常功能状态。本综 述 就 酿 酒 酵 母 中 的 逆 行 反 应 ，哺 乳 动 物 细 胞 和 线 虫 中 的 线 粒 体 未 折 叠 蛋 白 的 分 子 机 制 及 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 进 行 重 点 介 绍 。 关 键 词 ：线 粒 体 ；逆 行 反 应 ；未 折 叠 蛋 白 反 应 ；线 粒 体 自 噬 中图分类号：Ｑ２４４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１－７２３６（２０１５）０７－１７８７－０６
Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｎ Ｍｉｔｏｃｈｏｎｄｒｉａｌ Ｕｎｆｏｌｄｅｄ Ｐｒｏｔｅｉｎ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ
ＬＩ Ｓｈｕａｉ－ｆｅｎｇ，ＨＵ Ｌｉｎ，ＷＡＮＧ Ｊｉａ－ｘｉｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｓｈｕ－ｊｕｎ＊ （Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ａｎｉｍａｌ Ｇｅｎｅｔｉｃｓ，Ｂｒｅｅｄｉｎｇ ａｎｄ Ｒｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ， Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｎｉｍａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ，Ｈｕａｚｈｏｎｇ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７０，Ｃｈｉｎａ）
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。
资 料 来 源 于 文 献 ［９］ Ｄａｔａ ｆｒｏｍ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ［９］ 图 ２ 哺 乳 动 物 细 胞 线 粒 体 未 折 叠 蛋 白 反 应 信 号 通 路 Ｆｉｇ．２ Ｓｉｇｎａｌｉｎｇ ｐａｔｈｗａｙ ｏｆ ｍｉｔｏｃｈｏｎｄｒｉａｌ ｕｎｆｏｌｄｅｄ ｐｒｏｔｅｉｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｉｎ ｍａｍｍａｌｉａｎ ｃｅｌｌｓ
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］
线粒体分 子 伴 侣 和 线 粒 体 蛋 白 酶 的 表 达 无 显 著 影 响 。 酿 酒 酵 母 中 的 逆 行 反 应 见 图 １。
资 料 来 源 于 文 献 ［３］ Ｄａｔａ ｆｒｏｍ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ［３］ 图 １ 酿 酒 酵 母 中 的 逆 行 反 应 Ｆｉｇ．１ Ｒｅｔｒｏｇｒａｄｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｉｎ Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ
中 国 畜 牧 兽 医 ２０１５，４２（７）：１７８７－１７９２
Ｃｈｉｎａ Ａｎｉｍａｌ Ｈｕｓｂａｎｄｒｙ ＆ Ｖｅｔｅｒｉｎａｒｙ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ
ｄｏｉ：１０．１６４３１／ｊ．ｃｎｋｉ．１６７１－７２３６．２０１５．０７．０２４
线粒体未折叠蛋白反应的研究进展
李 帅 峰 ，胡 林 ，汪 加 兴 ，张 淑 君 ＊
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 以 ［１０］ 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
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｉｔｏｃｈｏｎｄｒｉａ，ａｓ ｏｎｅ ｏｆ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｉｎｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒ ｏｒｇａｎｅｌｌｅｓ，ｒｅｇｕｌａｔｅｓ ｍａｎｙ ｉｎｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒ ｓｉｇｎａｌｉｎｇ ｐａｔｈｗａｙｓ，ｂｕｔ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｃａｎ ｃａｕｓｅ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｌａｒｇｅ ａｍｏｕｎｔｓ ｏｆ ｍｉｓｆｏｌｄ－ ｅｄ ｏｒ ｕｎｆｏｌｄｅｄ ｐｒｏｔｅｉｎｓ，ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｉｎ ｍｉｔｏｃｈｏｎｄｒｉａｌ ｄｙｓｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｔｕｄｉｅｓ ｈａｖｅ ｒｅｖｅａｌｅｄ ｔｈａｔ ａ ｖａｒｉｅｔｙ ｆｏｒｍｓ ｏｆ ｓｉｇｎａｌｉｎｇ ｐａｔｈｗａｙ ｆｒｏｍ ｍｉｔｏｃｈｏｎｄｒｉａ ｔｏ ｎｕｃｌｅｕｓ ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ａｌｌｅｖｉａｔｅ ｍｉｔｏｃｈｏｎ－ ｄｒｉａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｒｅａｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｉｎｔａｉｎ ｍｉｔｏｃｈｏｎｄｒｉａｌ ｈｏｍｅｏｓｔａｓｉｓ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｗｅ ｗｉｌｌ ｌａｙ ｅｍｐｈａｓｉｓ ｏｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ｒｅｔｒｏｇｒａｄｅ ｒｅａｃｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｓａｃｃｈａｒｏｍｙｃｅｓ ｃｅｒｅｖｉｓｉａｅ，ｍｉｔｏｃｈｏｎ－ ｄｒｉａｌ ｕｎｆｏｌｄｅｄ ｐｒｏｔｅｉｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｉｎ ｍａｍｍａｌｉａｎ ｃｅｌｌｓ ａｎｄ Ｃ．ｅｌｅｇａｎｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｍｉ－ ｔｏｃｈｏｎｄｒｉａｌ ｕｎｆｏｌｄｅｄ ｐｒｏｔｅｉｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ａｎｄ ｍｉｔｏｐｈａｇｙ，ｉｎｎａｔｅ ｉｍｍｕｎｉｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｔｏｃｈｏｎｄｒｉａ；ｒｅｔｒｏｇｒａｄｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ；ｕｎｆｏｌｄｅｄ ｐｒｏｔｅｉｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ；ｍｉｔｏｐｈａｇｙ
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
ｅｄｕ．ｃｎ ＊ 通 信 作 者 ：张 淑 君 ，湖 北 武 汉 人 ，研 究 方 向 ：抗 病 遗 传 育 种 ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｊｘｉａｏｚｈａｎｇ＠ｍａｉｌ．ｈｚａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
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中 国 畜 牧 兽 医
４２ 卷
１ 酿 酒 酵 母 中 的 逆 ຫໍສະໝຸດ Baidu 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