「综述」泛素化与慢性阻塞性肺疾病的研究进展
来源：国际呼吸杂志2020年第17期
作者：胡彩梅 冯家钢 罗瑜 戚文艳 郭桂君 张剑青
昆明医科大学第一附属医院呼吸与危重症医学二科 650032
通信作者：张剑青
Email：ydyyzjq@163.com
摘要 泛素化是蛋白质最常见的翻译后修饰，是蛋白质降解的信号，细胞内80%以上的蛋白质是通过泛素蛋白酶体系统降解的。泛素化广泛参与细胞各种生命过程。慢性阻塞性肺疾病(COPD)是一种以持续性气流受限为特征的慢性呼吸道炎症性疾病，其发病机制为蛋白酶-抗蛋白酶失衡机制、氧化应激机制及炎症机制。此外，COPD肺组织中自噬增加。相关研究表明，泛素化参与COPD发病机制的各个环节，E3泛素连接酶是TRIM家族的一员，在泛素化过程中发挥重要作用，但与COPD发病是否相关尚未有人报道。本文综述了近几年国内外学者关于泛素化与COPD的研究进展，通过进一步研究COPD的发病机制，以期发现COPD的治疗干预靶点，为临床治疗提供理论依据。
细胞内全部蛋白质和细胞外大多数蛋白质都在不断的进行降解更新，蛋白降解过程中任何环节出问题，都会导致蛋白蓄积，产生聚集体、包涵体，进一步产生细胞毒性，导致人类产生严重疾病。细胞外蛋白降解通过蛋白酶体介导，细胞内蛋白降解主要通过两条途径：自噬和泛素蛋白酶体系统(ubiquitin-proteasome system，UPS)，而细胞内几乎80%的蛋白降解都是通过UPS介导的，相关研究表明：用特异性抑制剂抑制自噬途径，细胞内蛋白质降解无明显影响，证明细胞内蛋白质主要由UPS介导，UPS可特异性的降解细胞内的蛋白质，UPS功能损伤可导致疾病产生[1]。
1.泛素及泛素化系统
泛素是真核生物细胞内高度保守的多肽，因其广泛分布于细胞中而得名，单个泛素由76个氨基酸组成，跟一般多肽一样，泛素分C端跟N端，其C末端具有一定变形能力，其中的甘氨酸(Gly)位点是泛素与目的蛋白连接的关键，N端的甲硫氨酸(Met1)位点以及泛素中的赖氨酸K(如K29和K63)位点都可以发生泛素化而延伸为泛素链，因为泛素有7个赖氨酸残基，所以可产生多种泛素链[2]。
蛋白质的泛素化是蛋白质翻译后的主要修饰，主要通过泛素激活酶E1(ubiquitin-activating enzyme，E1)、泛素结合酶E2(ubiquitin-conjugating enzyme，E2)和泛素蛋白质连接酶E3(ubiquitin-ligase enzyme，E3)等相关酶的作用，以共价键的形式单个或多个结合到目的蛋白的赖氨酸残基上，促进蛋白质降解或发生功能改变。
泛素化过程涉及多个且数量不等的酶[3]：(1)E1。E1可以水解ATP，利用ATP提供的能量将泛素C端的赖氨酸(Lys)残基连接到自身的半胱氨酸(Cys)残基上形成高能硫酯键，从而激活泛素分子。(2)E2。泛素分子经过转硫醇反应从E1转移给E2，E2将泛素转移给E3，也可直接将泛素转移至靶蛋白。(3)E3。E3主要是将泛素从E2转移到靶蛋白上，使目的蛋白被蛋白酶体识别降解，泛素化途径的特异性及时间性主要由E3决定。
泛素化是一个可逆的蛋白质修饰过程[4]，在细胞的死亡中起着重要作用[5]。泛素化通过介导各信号通路相关蛋白的降解与合成调节炎症、氧化应激、蛋白质降解与合成、自噬等过程，使细胞生命活动有条不紊的进行。泛素化失调导致多种疾病，有研究显示可通过干预蛋白降解的过程治疗某些疾病[6]。
2.泛素化与COPD的研究进展
COPD是一种常见的以持续的气流受限和呼吸道症状为特征的可以预防和治疗的疾病，呼吸道症状和气流受限是由有毒颗粒或气体导致的气道和/或肺泡异常引起的[7]，主要累及肺，也可累及其他器官[8]。目前认为其发病机制为蛋白酶-抗蛋白酶失衡机制、氧化应激机制及炎症机制。
2.1 泛素化与蛋白失衡
研究显示，肺气肿的严重程度是COPD患者频繁发作的独立预测因素，伴肺气肿的COPD患者其病死率明显升高[9]。蛋白酶-抗蛋白酶失衡可导致组织结构破坏，产生肺气肿[10]。研究显示，COPD患者蛋白酶体活性增强[11]。重度肺气肿受试者肺组织中泛素化蛋白质和去泛素化酶积聚，运用调节蛋白质失衡药物'salubrinal'可以降低泛素化蛋白质的积累，减轻肺部炎症以及细胞凋亡。在COPD伴严重肺气肿的吸烟患者肺组织中，与蛋白质泛素化相关的基因富集[12]。
蛋白质的合成与降解失衡可能导致肺气肿的形成，Min等[13]用免疫组织化学法检测不同程度COPD患者肺组织中蛋白质的合成与凋亡，结果显示，在伴有肺气肿的受试者肺组织中检测到泛素化蛋白质的不溶性聚集。UPS通过降解错误折叠或功能受损的蛋白质以及调节一些寿命较短的蛋白质周期来维持细胞蛋白的稳定，有研究显示，在严重肺疾病如COPD、肺气肿、肺纤维化中UPS的功能受损。
大约1/3的成年未吸烟者都暴露于二手烟的环境而间接吸烟，这会通过诱导炎症、细胞凋亡/衰老、肺功能下降等引起COPD。香烟烟雾可诱导泛素化蛋白质的聚集，产生细胞毒性，促进肺的衰老，加速肺的老龄化。香烟烟雾提取物可以诱导泛素化蛋白质聚集体和炎症形成，而利用自噬诱导药'卡马西平'诱导自噬，使泛素化蛋白质聚集体降解，可显著减少肺泡间隙的扩大，减少细胞毒性，控制肺气肿的形成[14]，卡马西平的潜在作用为其作为将来减轻肺气肿发病的药物奠定了理论基础。
2.2 泛素化与骨骼肌萎缩的研究进展
肌肉质量的动态平衡中，UPS起主要调节作用，通过控制蛋白的合成与分解来维持肌肉质量的稳定。在各种疾病导致的骨骼肌萎缩中，发现与肌肉消耗有关的E3泛素连接酶Atrogin-1和MuRF1特异性表达增加，通过将泛素连接到肌肉细胞，并对肌肉细胞中的蛋白质进行降解。
近年来，COPD的常见肺外表现骨骼肌萎缩，受到了越来越多的关注，研究显示，24%～71%的COPD患者合并营养不良。有研究表明，COPD患者UPS活性增强，并使骨骼肌降解萎缩，且E3泛素连接酶Atrogin-1和MuRF1表达增加[15]。缺氧的COPD患者，UPS活性明显增强，肌肉萎缩程度更高。缺氧与泛素蛋白酶体活性增高有密切联系，Chaudhary等[16]在2011年发现慢性缺氧条件下小鼠骨骼肌中的UPS活性被进一步加强，导致了更强的蛋白分解，证实了在慢性缺氧条件下UPS加强了蛋白的转化速率。在GOLD分级Ⅰ、Ⅱ级的COPD患者中，膈肌纤维中的肌球蛋白下降30%，而特异性E3泛素连接酶MAFbx的mRNA水平明显升高，泛素结合的蛋白水平升高，进一步证明了泛素化过程参与了COPD骨骼肌的萎缩[17]。研究表明，COPD患者长期处于慢性缺氧状态，缺氧抑制了空腹后腺苷酸激活蛋白激酶介导的糖皮质激素受体信号，并加重禁食引起的肌肉消耗[18]。此外，具有肺气肿表型的COPD患者似乎更容易出现骨骼肌萎缩[19]，我们更有理由相信泛素化参与了肺气肿的发生、发展。
3.泛素化与自噬
研究显示，COPD患者的肺组织在电镜下自噬泡的数量较对照组显著增加，证明自噬与COPD的发生密切相关。
泛素化过程中的E3泛素连接酶(tripartite motif 13，TRIM13)，是TRIM家族的一员，位于内质网上，在泛素化过程中发挥重要作用，与内质网相关的蛋白质降解有关，可将未折叠或错误折叠的蛋白质从内质网移到其他细胞器进行降解。泛素在自噬和细胞死亡中起调节作用，含环指状结构域的TRIM13在内质网应激中可诱导细胞死亡，有研究显示，人胚胎肾293T自噬细胞中TRIM13表达较正常细胞明显降低，有可能是在自噬过程中消耗所致。TRIM13使内质网应激诱导的自噬增加，使细胞对内质网应激诱导的死亡敏感，敲除TRIM13的细胞能更好的避免死亡，并能避免内质网应激诱导剂衣霉素诱导的细胞死亡[20]，TRIM13可以诱导自噬，同时抑制细胞的增殖能力，推测TRIM13可能是通过内质网应激诱导自噬导致细胞死亡，用自噬抑制剂或敲除自噬途径的重要调节因子自噬蛋白5，显著挽救了TRIM13介导的细胞死亡。半胱天冬酶在细胞的死亡中具有重要作用，TRIM13作为一个新型调节因子，介导半胱天冬酶8在内质网应激中的活化，TRIM13存在时，半胱天冬酶8与自噬选择性底物P62蛋白和溶酶体共定位形成自噬溶酶体，TRIM13敲除时，自噬溶酶体形成减少[20]。也有研究显示，泛素化在自噬受体SQSTM1介导的选择性自噬中是一个重要的生物过程，只有泛素化的蛋白质可通过SQSTM1转移到自噬体进行降解[21]。通过对泛素化过程的调节，可间接影响自噬活性[22,23]。
4.泛素化与氧化应激、炎症
氧化应激及炎症机制是COPD的主要发病机制，研究显示，核因子κB(nuclear factor kappa B，NF-κB)炎症通路的活化是COPD发病的重要机制，而泛素化通过诱导NF-κB炎症通路的激活参与COPD的发生、发展。
NF-κB作为一种核转录因子，与细胞免疫、炎症反应、细胞的增生及凋亡等过程息息相关，参与多种炎症因子如IL-6、IL-8、肿瘤坏死因子α的基因调控，在慢性气道炎症发病机制中起重要作用。NF-κB参与了气道慢性炎症反应的多个步骤，最终导致气管受损以及炎症反应反复发作甚至迁延不愈。多项研究显示NF-κB在COPD小鼠气管组织中随气道、肺血管重塑的发展而增加，使用NF-κB抑制剂吡咯烷二硫代氨基甲酸盐可抑制炎症因子的表达，早期防治COPD的发生、发展[24,25,26]。
泛素化调节NF-κB通路的各个环节。研究表明，IκBa激酶复合体是肿瘤坏死因子诱导NF-κB通路激活的指标之一，TRIM13通过介导NF-κB重要调节因子的泛素化降解，影响IκBa激酶复合体的组装，从而抑制肿瘤坏死因子诱导的NF-κB激活，并负性调节细胞的克隆增殖能力，而敲低TRIM13具有相反的作用[27]。TRIM13抑制NF-κB的激活可降低细胞克隆能力，进一步证明TRIM13作为肿瘤抑制因子的意义[27]。另一研究显示，TRIM13过表达使NF-κB失活，在非小细胞肺癌组织和细胞系中TRIM13 mRNA和蛋白表达降低，NF-κB激活，而暴露于NF-κB抑制剂吡咯烷二硫代氨基甲酸盐下，显著影响TRIM13表达降低对细胞增殖和凋亡的影响，表明TRIM13在非小细胞肺癌细胞中的功能是由NF-κB途径介导的[28]。然而，也有研究结果显示相反，TRIM13依靠其E3泛素连接酶活性，利用K29连接的多聚泛素链使肿瘤坏死因子受体相关因子6泛素化降解，进一步促进NF-κB激活，敲低TRIM13可阻止NF-κB的激活，证明TRIM13是NF-κB激活的正调节剂[29]。尽管各研究结果有不同，但有限的研究结论也有一定的临床借鉴价值。总之，E3链接酶TRIM13与NF-κB相关，并可能通过参与其通路相关环节参与COPD发生。
以上研究表明泛素化可能通过参与蛋白质降解与合成失衡、氧化应激与炎症反应、自噬等多个过程影响COPD的发生、发展。
5.结语与展望
泛素化是一种常见的蛋白质翻译后修饰，广泛参与真核细胞各种生命过程，泛素化过程失调可以导致各种疾病。如上所述，泛素化参与了蛋白质的降解、炎症及氧化应激，此外，还与自噬息息相关，我们推测泛素化可能通过上述机制参与COPD的发生、发展，TRIM13是一个新型的E3泛素连接，作为泛素化过程的一员，参与NF-κB信号通路，介导细胞自噬，并与肿瘤发生、发展有关，但与COPD的关系目前尚无报道，还需进一步研究证实。流调显示，我国40岁以上的人群COPD患病率高达13.7%[30]，目前仍无有效治疗手段，因此进一步研究其发病机制尤为重要，接下来以期通过进一步实验研究发现两者关系。