線粒體未折疊蛋白反應(yīng)機(jī)制研究綜述,分子生物學(xué)論文線粒體幾乎存在于所有的真核細(xì)胞中，對于維持細(xì)胞功能具有舉足輕重的作用。除了ATP合成、氨基酸、脂肪酸和核酸代謝外，線粒體獨(dú)特的雙層膜構(gòu)造是介導(dǎo)細(xì)胞凋亡和天然抗病毒免疫唯一無二的信號傳導(dǎo)平臺。線粒體大約含有1500種蛋白質(zhì)，華而不實(shí)線粒體基因組〔mitochondrialDNA,mtD-NA〕編碼了13種介入三羧酸循環(huán)的酶類，其他大部分蛋白由核基因組編碼，并轉(zhuǎn)運(yùn)到線粒體[1].因而維持蛋白質(zhì)的正確折疊對于維持線粒體功能及細(xì)胞存活具有重要作用。不同的細(xì)胞器有各自的信號通路調(diào)控蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)，如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)未折疊蛋白反響〔UPRER〕、線粒體未折疊蛋白反響〔UPRmt〕。線粒體未折疊蛋白反響是在應(yīng)激條件下，線粒體基質(zhì)積累后產(chǎn)生大量未折疊或錯誤折疊的蛋白質(zhì)，導(dǎo)致核基因編碼的線粒體分子伴侶蛋白HSP60、HSP70等表示出量上調(diào)，幫助發(fā)生錯誤折疊的蛋白恢復(fù)正常蛋白構(gòu)象及協(xié)助新合成的蛋白發(fā)生正確折疊的線粒體至核的信號傳導(dǎo)經(jīng)過[2].1釀酒酵母中的逆行反響基因逆行反響〔retrograderesponse〕是指在釀酒酵母中由于電子轉(zhuǎn)移鏈〔ETC〕存在缺陷，引起代謝相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)以維持谷氨酸鹽和乙酰輔酶A〔acetyl-CoA〕正常供給的反響[3].釀酒酵母中的逆行反響主要受3個基因的控制：逆行反響基因1p〔Rtg1p〕、逆行反響基因2p〔Rtg2p〕及逆行反響基因3p〔Rtg3p〕。Rtg1p和Rtg3p是基本的螺旋-環(huán)-螺旋-亮氨酸拉鏈轉(zhuǎn)錄因子，其通過構(gòu)成轉(zhuǎn)錄復(fù)合物并結(jié)合在靶基因啟動子Rbox序列上，進(jìn)而激活靶基因轉(zhuǎn)錄。正常情況下Rtg1p和Rtg3p定位于細(xì)胞質(zhì)中且Rtg3p處于高度磷酸化而失活；而當(dāng)ETC存在缺陷，線粒體處于應(yīng)激狀態(tài)下，Rtg3p磷酸化程度降低，并與Rtg1p一起轉(zhuǎn)移至核，發(fā)揮其轉(zhuǎn)錄調(diào)控活性[4].Rtg2p含有一個N端ATP結(jié)合構(gòu)造域，該構(gòu)造域?qū)τ赗tg2p功能的發(fā)揮具有重要作用?，F(xiàn)有研究果表示清楚Rtg2p作為Rtg1p、Rtg3p的上游調(diào)控基因，能感悟線粒體內(nèi)膜電勢的變化，進(jìn)而觸發(fā)Rtg1p和Rtg3p的核轉(zhuǎn)位及其功能的發(fā)揮，但Rtg2p詳細(xì)的調(diào)控機(jī)制尚不清楚[5].逆行反響能誘導(dǎo)大量與代謝相關(guān)基因的表示出，但卻對線粒體分子伴侶和線粒體蛋白酶的表示出無顯著影響。釀酒酵母中的逆行反響見圖1.2哺乳動物細(xì)胞中的未折疊蛋白反響2002年Zhao等[2]通過超表示出線粒體基質(zhì)定位的末端錯誤折疊的鳥苷酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶證明了線粒體未折疊蛋白反響的存在，未折疊蛋白在線粒體基質(zhì)中的積累導(dǎo)致了線粒體分子伴侶熱休克蛋白10〔HSP10〕、熱休克蛋白60〔HSP60〕、mtDnaJ和線粒體蛋白酶ClpP基因的高表示出，但卻不影響細(xì)胞質(zhì)和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)分子伴侶的表示出。生物信息學(xué)分析發(fā)現(xiàn)這些基因啟動子區(qū)含有一個轉(zhuǎn)錄因子CHOP、C/EBP結(jié)合的構(gòu)造域。CHOP、C/EBP的啟動子區(qū)含有一個激活蛋白〔activatorprotein1,AP1〕結(jié)合位點(diǎn)，該結(jié)合位點(diǎn)對CHOP、C/EBP在線粒體未折疊蛋白反響中的作用不可或缺，而c-JNK能結(jié)合在AP1結(jié)合位點(diǎn)〔圖2〕，進(jìn)一步揭示了JNK信號通路在線粒體未折疊蛋白反響中的重要調(diào)控作用[6].Papa等[7]研究證實(shí)了線粒體內(nèi)膜間隙存在特異的未折疊蛋白反響，錯誤折疊的蛋白質(zhì)在內(nèi)膜間隙的積累能導(dǎo)致AKT的磷酸化及核雌激素受體的活化，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄因子Nrf1轉(zhuǎn)錄激活線粒體內(nèi)膜定位的蛋白酶HtrA2表示出上調(diào)。除此之外，在線粒體內(nèi)膜間隙應(yīng)激條件下，蛋白酶體的活性加強(qiáng)，提示，定位在線粒體內(nèi)膜間隙的蛋白質(zhì)在輸入線粒體之前首先發(fā)生泛素化修飾。最新研究發(fā)現(xiàn)去乙?；窼IRT3也能調(diào)控線粒體未折疊蛋白反響，SIRT3的這種調(diào)控作用主要是通過調(diào)控抗氧化應(yīng)激和線粒體自噬實(shí)現(xiàn)的，不依靠于CHOP和雌激素受體[8].1788固然這些研究為線粒體未折疊蛋白反響的信號傳導(dǎo)提供大致框架，但仍然有很多問題是這一領(lǐng)域的研究熱門，如細(xì)胞通過如何的分子機(jī)制感受線粒體應(yīng)激信號并將此信號傳導(dǎo)至細(xì)胞核；現(xiàn)有的線粒體未折疊蛋白反響大都在體外培養(yǎng)的細(xì)胞系中研究發(fā)現(xiàn)，在有機(jī)體內(nèi)能否存在類似的分子機(jī)制介導(dǎo)線粒體未折疊蛋白反響卻尚未見報(bào)道。3線蟲中的線粒體未折疊蛋白反響機(jī)制為了進(jìn)一步分析線粒體未折疊蛋白反響的分子機(jī)理，Yoneda等[10]以線蟲為形式生物進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)如今應(yīng)急條件下，線粒體內(nèi)未折疊蛋白的積累導(dǎo)致線粒體分子伴侶蛋白的表示出量提高，而敲除線粒體質(zhì)量控制蛋白酶ClpP不能誘導(dǎo)線粒體分子伴侶蛋白的表示出。ClpP能辨別錯誤折疊的蛋白并將其降解為8~20個氨基酸的多肽。在線蟲中的研究發(fā)現(xiàn)，這些積累在線粒體基質(zhì)中的多肽能通過ATP結(jié)合運(yùn)輸分子HAF-1轉(zhuǎn)運(yùn)到內(nèi)膜間隙[9].但HAF-1只是在線粒體未折疊蛋白反響的起始階段發(fā)揮作用，該信號由線粒體傳導(dǎo)至細(xì)胞核需要應(yīng)激相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子ATFS-1〔ZC376.7〕的介入。正常情況下ATFS-1轉(zhuǎn)運(yùn)至線粒體并被Lon蛋白酶降解，當(dāng)線粒體處于應(yīng)激條件下，一部分ATFS-1在細(xì)胞質(zhì)累積，由于ATFS-1含有核定位序列能轉(zhuǎn)移至細(xì)胞核，并且調(diào)控大量相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄以減輕線粒體應(yīng)激給細(xì)胞造成的影響[11].同時ATFS-1也介導(dǎo)tim-17和tim-23的轉(zhuǎn)錄上調(diào)，tim-17和tim-23組成的復(fù)合物介導(dǎo)ATFS-1的線粒體輸入，降低ATFS-1在細(xì)胞質(zhì)中的積累[12].除此之外，調(diào)控線粒體分子伴侶基因的表示出還需要另一個轉(zhuǎn)錄復(fù)合物的介入，該轉(zhuǎn)錄復(fù)合物由轉(zhuǎn)錄因子DVE-1和類泛素蛋白UBL-5組成。DEV-1定位在核仁，當(dāng)發(fā)生線粒體未折疊蛋白反響時，DEV-1在細(xì)胞核發(fā)生重分布，結(jié)合在線粒體分子伴侶基因啟動子區(qū)，調(diào)控相關(guān)基因的表示出[13].DEV-1核重分布經(jīng)過依靠于ATFS-1的表示出，但不依靠于HAF-1的表示出，然而ubl-5的表示出上調(diào)卻同時依靠于ATFS-1和HAF-1[14].在哺乳動物細(xì)胞中存在DEV-1和ubl-5的同源物，分別是SatB2和UBL-5[13],他們也能構(gòu)成類似于線蟲中的復(fù)合物，但能否在線粒體未折疊蛋白反響中發(fā)揮類似的功能卻尚未見報(bào)道。線蟲中的線粒體未折疊蛋白反響見圖3.線蟲中的研究也發(fā)現(xiàn)添加煙酰胺或PARP抑制劑誘導(dǎo)了線蟲線粒體未折疊蛋白反響的激活，這種作用主要是通過激活去乙?；竤ir2.1及轉(zhuǎn)錄因子FOXO和DAF-16實(shí)現(xiàn)的[15].sir2.1在延緩衰老中的作用已得到了廣泛認(rèn)可，這一研究也暗示了線粒體未折疊蛋白反響與衰老的密切關(guān)系。4線粒體未折疊蛋白反響與線粒體自噬、天然免疫的互相關(guān)系線粒體介入細(xì)胞內(nèi)的多種信號通路，如細(xì)胞凋亡、干擾素信號通路等。而近年來的研究發(fā)現(xiàn)功能受損的線粒體主要通過線粒體自噬途徑降解，以此來維持細(xì)胞內(nèi)線粒體網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)。在哺乳動物細(xì)胞中線粒體自噬主要是由PINK1/Parkin介導(dǎo)的，正常情況下PINK1被輸送到內(nèi)膜間隙并被降解，在線粒體去極化的情況下，PINK1在線粒體外膜積累，并招募胞質(zhì)中的Parkin定位在線粒體外表，Parkin進(jìn)而發(fā)揮其泛素連接酶活性，泛素化多種線粒體外膜蛋白，該泛素化的線粒體被自噬體辨別進(jìn)而通過自噬溶酶體降解[17].值得注意的是，能夠誘導(dǎo)線粒體未折疊蛋白反響的刺激也最終能夠誘導(dǎo)線粒體自噬的發(fā)生，如線粒體DNA缺失、線粒體電子轉(zhuǎn)移鏈復(fù)合物突變、線粒體內(nèi)積累大量錯誤折疊的蛋白質(zhì)等應(yīng)激信號不僅激活線粒體未折疊蛋白反響，同時也觸發(fā)了線粒體自噬的發(fā)生[18-20].由于線粒體未折疊蛋白反響通過一系列的應(yīng)激保衛(wèi)機(jī)制來提高線粒體的功能，而線粒體自噬主要是去除功能嚴(yán)重受損的線粒體，因而，線粒體未折疊蛋白反響可能先于線粒體自噬被激活，若線粒體未折疊蛋白反響缺乏以改善線粒體應(yīng)激，則這種功能受損的線粒體則經(jīng)過線粒體自噬的途徑降解，而進(jìn)一步的線粒體損傷導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生程序性凋亡。線粒體是細(xì)胞內(nèi)重要的免疫細(xì)胞器，已有大量研究結(jié)果表示清楚線粒體及線粒體信號通路在天然免疫和獲得性免疫中發(fā)揮重要作用[21-22].而線粒體未折疊蛋白反響能夠維持線粒體網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)態(tài)，進(jìn)而在天然免疫和獲得性免疫中發(fā)揮作用。在線蟲中的研究發(fā)現(xiàn)ATFS-1介導(dǎo)的線粒體未折疊蛋白反響能調(diào)控天然免疫誘導(dǎo)產(chǎn)生微生物多肽及溶酶體酶來抵抗病原微生物的感染[23].在小鼠中的研究發(fā)現(xiàn)線粒體未折疊蛋白反響與蛋白激酶PKR協(xié)同作用調(diào)控小腸上皮細(xì)胞的炎性反響[24].盡管在哺乳動物細(xì)胞中的研究發(fā)現(xiàn)熱休克蛋白〔HSP〕在激活天然免疫經(jīng)過中發(fā)揮重要作用，但哺乳動物中線粒體未折疊蛋白反響能否介入天然免疫抵抗病原微生物感染還需要進(jìn)一步的研究。5瞻望線粒體未折疊蛋白反響是一個線粒體到細(xì)胞核的信號傳導(dǎo)經(jīng)過，有助于維持線粒體內(nèi)蛋白質(zhì)的穩(wěn)態(tài)及細(xì)胞存活。盡管介入調(diào)控線粒體未折疊蛋白反響的主要分子已被鑒定出來，但仍然有很多懸而未決的問題。與RTG3一樣ATFS-1含有一個富含絲氨酸的構(gòu)造域，該構(gòu)造域的磷酸化狀態(tài)能否會影響ATFS-1功能的發(fā)揮卻沒有相關(guān)報(bào)道，到當(dāng)前為止尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)的磷酸化酶調(diào)控ATFS-1的磷酸化狀態(tài)。線粒體是細(xì)胞內(nèi)重要的細(xì)胞器之一，很多疾病的