p62与蛋白降解途径的研究进展

生理学报ActaPhysiologicaSinica,February25,2015,67(1):48–58DOI:10.13294/j.aps.2015.0005，董越娟1，刘彬1,*河南大学1护理学院神经生物学研究所；2附属淮河医院消化内科，开封475000摘要：p62是一种多功能泛素结合蛋白，参与泛素蛋白酶体系统(ubiquitin-proteasomesystem,UPS)和自噬-溶酶体系统两种蛋白降解过程。p62作为一种信号转导途径中的支架和适配子蛋白，其分子结构中的多个功能结构域可与其它蛋白质相互作用，介导多种细胞功能，特别是在细胞的选择性自噬和细胞抗氧化反应中发挥重要作用，因而p62与许多疾病的发病机制密切相关。本文主要综述p62的结构特征及其与UPS和自噬的相互关系，旨在为相关领域的研究提供参考。关键词：p62；蛋白降解；泛素；蛋白酶体；自噬中图分类号：R37Progressofstudyonp62andproteindegradationpathwaysLIUShi-Meng1,2,DONGYue-Juan1,LIUBin1,*1InstituteofNeurobiology,CollegeofNursing;2DepartmentofGastroenterology,HuaiheClinicalCollege,HenanUniversity,Kaifeng475000,ChinaAbstract:Thep26,amultifunctionalubiquitin-bindingprotein,hasbeenproposedtobeinvolvedinproteindegradationasacompo-nentwithintheubiquitin-proteasomeandautophagy-lysosomesystems.Asascaffoldingproteinwithseveraldifferentkindsofprotein-proteininteractiondomains,p62mediatesvariouscellularfunctions.Importantly,p62playsacriticalroleincell’sselectiveautophagyandoxidativestressresponse,whichareassociatedwiththepathogenesisofseveralhumandiseases.Inthisreview,wedescribethestructureofp62andthemechanismofconnectionbetweenp62andubiquitin-proteasomesystem/autophagy,soastoprovidesomeperspectivesonp62research.Keywords:p62;proteindegradation;ubiquitin;proteasome;autophagyReceived2014-05-22Accepted2014-07-29ThisreviewwassupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.30771140)andtheScientificResearchProjectofEducationalDepartmentofHenanProvince,China(No.13A310070).*Correspondingauthor.Tel/Fax:[phone];E-mail:[e-mail]综述正常细胞的核糖体每分钟合成数千种蛋白质。尽管细胞具有丰富的分子伴侣提供保护环境，保证新合成的蛋白质迅速有效地折叠，形成天然构象并获得正确的生物功能，仍有近30%的新生蛋白质因各种原因而错误折叠、聚集或沉积到细胞内[1]。机体通过不断清除错误折叠或受损伤蛋白质，维持细胞内环境稳定，保障细胞在各种应激状态下生存[2]。真核细胞主要存在两种蛋白降解系统，泛素蛋白酶体系统(ubiquitin-proteasomesystem,UPS)和自噬-溶酶体系统[3]。UPS在细胞质中选择性降解各种受损蛋白质，是重要的蛋白质质量控制系统[4]。此途径的泛素(ubiquitin,Ub)首先被泛素活化酶(ubiquitinactivatingenzymes,E1)激活，激活的泛素被转移到泛素结合酶(ubiquitinconjugatingenzymes,E2)，最后利用泛素蛋白连接酶(ubiquitinproteinli-gases,E3)将泛素分子连接到靶蛋白底物并转移到蛋白酶体中降解[5]。细胞内E3分布广泛且含量丰富，刘诗濛等：p62与蛋白降解途径的研究进展49可特异性结合异常蛋白质，促使其泛素化，经UPS途径降解[6]。自噬是真核细胞内降解蛋白质和细胞质其它成分的基本途径，细胞以自噬方式清除细胞内错误折叠蛋白质、某些长寿命蛋白质、衰老损伤的细胞器和入侵细胞的微生物，维持细胞内物质的动态平衡。在细胞应激状态(如饥饿、缺氧等)下，自噬作用也可以为细胞提供营养物质和能源物质[7]。目前已经阐明的自噬相关基因(autophage-relatedgene,ATG)有三十多种，其中18个基因是自噬体形成所必需的。哺乳动物的大多数ATG基因保守性强，表达产物的作用方式与酵母中相应蛋白质类似[8]。自噬的起始是形成杯状双层膜结构，双层膜结构不断延伸包裹细胞质中待降解的物质，继而融合形成双层膜的囊泡样结构，称为自噬体(autopha-gosome)。自噬体直径约1μm，容积约0.5×10−18m3，能够容纳平均分子量几十万的蛋白质成分。自噬体的外层膜与溶酶体膜结合形成自噬溶酶体(auto-lysosome)，内容物被不同种类的溶酶体酶降解，供细胞再循环利用[9]。根据细胞内待降解物质转运到溶酶体的途径不同，将自噬分为三种方式，巨自噬(macroautophagy)，即通常所称的自噬、小自噬(microautophagy)和分子伴侣介导的自噬(chaperone-mediatedautophagy,CMA)[10]。p62是SQSTM1编码的泛素结合蛋白，参与UPS和自噬两种蛋白降解过程[11]。p62作为一种信号转导途径中的支架和适配子蛋白，是细胞内多种蛋白复合物的主要成分。其多个结构域与其它蛋白质相互作用，介导多种细胞功能，包括细胞信号转导[12]、受体内化、蛋白更新和基因转录调控等[13]。p62蛋白本身也是自噬的选择性底物之一。某些神经退行性疾病和慢性肝脏疾病细胞自噬活性降低，在细胞内形成的异常蛋白质聚集体和包涵体中常常发现p62存在[14,15]。1p62的结构特征人类p62基因位于5号染色体，有8个外显子，编码的p62蛋白包含440个氨基酸残基。p62cDNA首先被Shin等克隆，由于其编码的蛋白质结合到酪氨酸蛋白激酶p561ck的SH2结构域，开始被命名为p56Lck-配体[16]。在p62蛋白作用机制的研究中，Shin注意到p62参与形成细胞内多泛素化蛋白质聚集体，据此将p62蛋白命名为sequestosome1[17]。大鼠的p62同源基因称为ZIP(zetaproteinkinaseC-interactingprotein)，从大鼠脑cDNA文库中分离，另一p62同源基因A170则在小鼠巨噬细胞氧化应激诱导获得。Geetha等通过比较氨基酸序列后发现，这些同源基因所表达蛋白质具有高度保守性(大约90%)[18]。p62的氨基酸序列中至少包含9个带有结构性模体(motif)的结构域，可与其它蛋白质相互作用。这些结构域包括：N末端的Phox和Bem1结构域(PB1)，结合aPKC(atypicalproteinkinaseC)、ERK、NBR1、MAPKK5(MEK5)等，也能与p62自身结合；一个ZZ型锌指结构，可与RIP(receptorinteractingprotein)相互作用；1个与肿瘤坏死因子受体相关因子6(tumornecrosisfactorreceptor-associatedfactor6,TRAF6)结合的结构域(TRAF6-bindingdomain,TBS)；一个核定位信号(nuclearlocalizationsignal,NLS)和核输出信号(nuclearexportsignal,NES)模体；1段与微管相关蛋白1轻链3(microtubule-associatedprotein1lightchain3,LC3)相互作用的LC3作用域(LC3-interactionregion,LIR)；2个PEST序列位于LIR两侧；一段与Keap1(Kelch-likeECH-associatedprotein1)结合的Keap1作用区域(Keap1interactingregion,KIR)；1个与p38蛋白结合的结构域和C末端的泛素相关结构域(ubquitin-associateddomains,UBA)[19]。p62的功能结构域如图1。1.1PB1结构域p62蛋白距N末端大约80个氨基酸残基位置包含PB1结构域，能够与其它蛋白质中相应的PB1结构域结合，也可以互相聚集成为同源复合体，形成p62的自身寡聚化和多聚化，参与蛋白质的自噬性降解过程[20]。其类似泛素构象的UBL(ubiqui-tin-like)结构域在N末端能够结合26S蛋白酶体的S5a亚基，参与蛋白质的蛋白酶体降解作用[21]。1.2ZZ结构域ZZ锌指结构是17个氨基酸残基的保守序列[22]，位于128~163氨基酸残基范围[23]，参与结合RIP蛋白，与肿瘤坏死因子信号转导和NF-κB的激活途径有关[24]。1.3TBS结构域TBS结构域是位于p62的225~251氨基酸残基的短序列，介导p62与TRAF6的结合[25]。TRAF6属于泛素蛋白连接酶E3的RING(reallyinterestingnewgene)结构域家族成员，催化泛素在63位赖氨酸残基(K63)连接成为多聚泛素链，也通过本身的生理学报ActaPhysiologicaSinica,February25,2015,67(1):48–5850多聚泛素化被激活。p62与TRAF6的结合使TRAF6能够与aPKC和IKKβ作用形成信号复合体，在NF-κB信号转导中发挥作用[26]。1.4NLS和NES结构域p62在细胞浆与细胞核之间持续快速的穿梭移动依赖于结构中的2个NLS(NLS1和NLS2)和一个NES，其中NLS2的作用最重要。细胞通过NLS2的磷酸化调节p62在细胞核与细胞浆之间的穿梭[27]。如果抑制p62从细胞核移出，可导致泛素化蛋白质在细胞核中积聚，进一步加速p62细胞核的转移。另外，研究也显示有p62定位在细胞核中的泛素化蛋白质聚集物中[28,29]，说明p62通过NLS2和NES参与细胞核中泛素化蛋白质的蛋白酶体降解体系。1.5LIRLIR是22个氨基酸残基组成的线状区域，介导p62与自噬体标志物LC3的相互作用[30,31]。LIR位于LC3蛋白N末端臂与C末端UBL的交界面上，其中的色氨酸残基和亮氨酸残基的侧链结合到LC3的UBL的疏水凹陷中，以静电方式维持p62与LC3的相互作用[32,33]。如果用丙氨酸残基替代LIR的天冬氨酸残基，或用丙氨酸残基替代LIR的色氨酸残基，该蛋白则丧失与LC3作用的能力，说明LIR在自噬体形成过程和自噬降解中的关键作用[34]。1.6PEST序列1986年Reichsteiner和Rogers首先描述一种富含脯氨酸(proline,P)、谷氨酸(glutamate,E)、丝氨酸(serine,S)和苏氨酸(threonine,T)的26个氨基酸残基的序列，称为PEST序列[35]。在真