《自然》：刷新認知！科學家發現，殺死神經細胞的或不是“毒蛋白”斑塊

　　多種神經退行性疾病的發生被認為與蛋白在神經元內的異常堆積相關，如我們熟知的阿爾茨海默病，但靶向這些異常蛋白的治療藥物在臨床試驗中很少獲得成功[1]。

　　這樣的事實使得我們有時會產生這樣的疑問：異常堆積的蛋白是導致神經元死亡的主要原因嗎？

　　近日，來自加州大學伯克利分校的Michael Rapé團隊在《自然》雜志發表重磅研究[4]，提出了導致神經元死亡的新假說，即異常堆積蛋白斑塊并非是導致細胞死亡的直接原因，細胞無法及時終止應激反應可能才是“罪魁禍首”。

　　具體來說，Rapé團隊新發現了一種泛素依賴的調控線粒體蛋白輸入應激反應的機制，這個調控機制的關鍵是一種E3泛素連接酶復合體——研究人員稱之為綜合應激反應沉默因子（SIFI），SIFI可介導靶蛋白泛素化而被降解[5]。

　　在發生線粒體蛋白輸入應激時，本該轉運到線粒體的蛋白在細胞質內積聚，而SIFI可識別這些蛋白上的線粒體定位序列從而降解掉它們。當細胞質內積聚的蛋白被清除時，SIFI就通過識別相似的序列開始與線粒體蛋白輸入應激感受器DELE1和HRI結合并將其降解，從而終止應激反應。

　　值得注意的是，在SIFI功能缺陷的細胞中，使用小分子化合ISRIB（其衍生物已進入臨床試驗階段）終止應激反應后，即使沒有清除積聚的蛋白，細胞也并不會死亡。聯系到一些神經退行性疾病中（如共濟失調與早發性癡呆）中存在SIFI突變[6]，導致SIFI無法終止線粒體蛋白輸入應激，這可能是這些神經退行性疾病發生的原因，并可能成為這類神經退行性疾病新的治療策略。

　　故事起始于Michael Rapé團隊在前期發現的一種E3泛素連接酶UBR4，其具有降解新生多肽的功能[7]，且UBR4的突變可導致共濟失調和早發性癡呆的發生[6]，提示UBR4在細胞內穩態中起到重要作用。

　　為了探究UBR4在細胞應激調控中的作用，研究人員在UBR4基因敲除的ΔUBR4細胞中進行了全基因組CRISPR-Cas9合成致死性篩選，以尋找與UBR4互作的功能主體。

　　研究結果顯示，當細胞線粒體功能受損時，UBR4最為重要，UBR4的大多數交互作用蛋白控制線粒體蛋白的輸入[8]，且這些蛋白的突變與多種神經退行性疾病相關，并表現出與UBR4突變患者相似的癥狀[9]。這一結果提示UBR4在線粒體蛋白輸入障礙應激反應中發揮著重要的作用。

　　緊接著，通過親和純化與免疫共沉淀，研究人員證實了在線粒體蛋白輸入應激時，UBR4與KCMF1和鈣調蛋白組成了大型的E3連接酶復合體來維持細胞存活，Michael Rapé團隊將其命名為SIFI。

　　那SIFI在調控線粒體蛋白輸入應激中扮演著怎樣的角色呢？

　　首先，研究人員排除了SIFI復合物對線粒體蛋白輸入的直接作用，UBR4敲除并不直接影響蛋白被轉運至線粒體。接下來研究人員對SIFI復合物的底物進行探究，發現線粒體蛋白輸入應激感受器DELE1和參與綜合應激反應的一種激酶HRI是SIFI的直接作用底物。

　　當細胞遭受線粒體蛋白輸入應激時，本該被轉運到線粒體內的DELE1被細胞質內的OMA1切割成片段（cDELE1），cDELE1可激活HRI，使翻譯起始因子eIF2α磷酸化，抑制多種蛋白的合成，促進積聚蛋白的降解，使得細胞能“騰出手來”解決那些積聚在細胞質內的蛋白，介導細胞對于線粒體蛋白輸入應激的響應[10]。

　　而當SIFI與cDELE1和HRI結合時，SIFI可促進cDELE1和HRI的泛素化而降解，從而終止線粒體蛋白輸入應激。進一步的研究發現，僅當線粒體蛋白輸入應激發生后，這一終止途徑才會被激活。

　　研究人員接著研究了SIFI與cDELE1和HRI結合時的識別靶點，發現SIFI與這兩個蛋白相互作用時存在相似的識別結構域，且這一序列與線粒體定位序列非常相似。

　　根據這一結果，不難推測出SIFI可與那些具有線粒體定位序列、卻未及時進入線粒體的蛋白相結合，實驗結果也證實了這一點，具有線粒體定位序列的聚積蛋白可呈劑量依賴性與cDELE1或HRI競爭性結合SIFI，從而在線粒體輸入蛋白應激結束前避免SIFI過早終止應激反應。

　　就像Michael Rapé所比喻的那樣“當在夜間打掃房間時，需要開著燈，但是在睡覺前不關燈得話就會影響睡眠，而如果在打掃房間之前就把燈關掉，又會被絆倒，因此關燈的時機非常重要”。

　　在發生線粒體蛋白輸入應激時，具有線粒體定位序列的蛋白與SIFI結合而被降解；當線粒體蛋白輸入應激結束時，SIFI與線粒體輸入蛋白應激感受器cDELE1和活化的HRI結合，終止應激反應

　　更為有意義的是，在ΔUBR4細胞中（模擬共濟失調和早發性癡呆的情況[11]），使用HRI的抑制劑ISRIB終止應激反應后，即使無法清除積聚在細胞內的蛋白，細胞在受到應激后仍能保持很高的存活率，提示在這類患者中應激反應終止療法具有很大潛力。

　　總的來說，本研究發現了細胞調控應激反應平衡的新機制，E3泛素連接酶復合體SIFI在調節線粒體蛋白輸入應激時起到重要作用。

　　更為重要的是，研究人員發現即使無法清除異常積聚的蛋白，及時終止應激反應能很大程度避免細胞死亡，這一發現為治療SIFI突變相關神經退行性疾病患者提供了新策略。