《自然》：刷新认知！科学家发现，杀死神经细胞的或不是“毒蛋白”斑块

　　多种神经退行性疾病的发生被认为与蛋白在神经元内的异常堆积相关，如我们熟知的阿尔茨海默病，但靶向这些异常蛋白的治疗药物在临床试验中很少获得成功[1]。

　　这样的事实使得我们有时会产生这样的疑问：异常堆积的蛋白是导致神经元死亡的主要原因吗？

　　近日，来自加州大学伯克利分校的Michael Rapé团队在《自然》杂志发表重磅研究[4]，提出了导致神经元死亡的新假说，即异常堆积蛋白斑块并非是导致细胞死亡的直接原因，细胞无法及时终止应激反应可能才是“罪魁祸首”。

　　具体来说，Rapé团队新发现了一种泛素依赖的调控线粒体蛋白输入应激反应的机制，这个调控机制的关键是一种E3泛素连接酶复合体——研究人员称之为综合应激反应沉默因子（SIFI），SIFI可介导靶蛋白泛素化而被降解[5]。

　　在发生线粒体蛋白输入应激时，本该转运到线粒体的蛋白在细胞质内积聚，而SIFI可识别这些蛋白上的线粒体定位序列从而降解掉它们。当细胞质内积聚的蛋白被清除时，SIFI就通过识别相似的序列开始与线粒体蛋白输入应激感受器DELE1和HRI结合并将其降解，从而终止应激反应。

　　值得注意的是，在SIFI功能缺陷的细胞中，使用小分子化合ISRIB（其衍生物已进入临床试验阶段）终止应激反应后，即使没有清除积聚的蛋白，细胞也并不会死亡。联系到一些神经退行性疾病中（如共济失调与早发性痴呆）中存在SIFI突变[6]，导致SIFI无法终止线粒体蛋白输入应激，这可能是这些神经退行性疾病发生的原因，并可能成为这类神经退行性疾病新的治疗策略。

　　故事起始于Michael Rapé团队在前期发现的一种E3泛素连接酶UBR4，其具有降解新生多肽的功能[7]，且UBR4的突变可导致共济失调和早发性痴呆的发生[6]，提示UBR4在细胞内稳态中起到重要作用。

　　为了探究UBR4在细胞应激调控中的作用，研究人员在UBR4基因敲除的ΔUBR4细胞中进行了全基因组CRISPR-Cas9合成致死性筛选，以寻找与UBR4互作的功能主体。

　　研究结果显示，当细胞线粒体功能受损时，UBR4最为重要，UBR4的大多数交互作用蛋白控制线粒体蛋白的输入[8]，且这些蛋白的突变与多种神经退行性疾病相关，并表现出与UBR4突变患者相似的症状[9]。这一结果提示UBR4在线粒体蛋白输入障碍应激反应中发挥着重要的作用。

　　紧接着，通过亲和纯化与免疫共沉淀，研究人员证实了在线粒体蛋白输入应激时，UBR4与KCMF1和钙调蛋白组成了大型的E3连接酶复合体来维持细胞存活，Michael Rapé团队将其命名为SIFI。

　　那SIFI在调控线粒体蛋白输入应激中扮演着怎样的角色呢？

　　首先，研究人员排除了SIFI复合物对线粒体蛋白输入的直接作用，UBR4敲除并不直接影响蛋白被转运至线粒体。接下来研究人员对SIFI复合物的底物进行探究，发现线粒体蛋白输入应激感受器DELE1和参与综合应激反应的一种激酶HRI是SIFI的直接作用底物。

　　当细胞遭受线粒体蛋白输入应激时，本该被转运到线粒体内的DELE1被细胞质内的OMA1切割成片段（cDELE1），cDELE1可激活HRI，使翻译起始因子eIF2α磷酸化，抑制多种蛋白的合成，促进积聚蛋白的降解，使得细胞能“腾出手来”解决那些积聚在细胞质内的蛋白，介导细胞对于线粒体蛋白输入应激的响应[10]。

　　而当SIFI与cDELE1和HRI结合时，SIFI可促进cDELE1和HRI的泛素化而降解，从而终止线粒体蛋白输入应激。进一步的研究发现，仅当线粒体蛋白输入应激发生后，这一终止途径才会被激活。

　　研究人员接着研究了SIFI与cDELE1和HRI结合时的识别靶点，发现SIFI与这两个蛋白相互作用时存在相似的识别结构域，且这一序列与线粒体定位序列非常相似。

　　根据这一结果，不难推测出SIFI可与那些具有线粒体定位序列、却未及时进入线粒体的蛋白相结合，实验结果也证实了这一点，具有线粒体定位序列的聚积蛋白可呈剂量依赖性与cDELE1或HRI竞争性结合SIFI，从而在线粒体输入蛋白应激结束前避免SIFI过早终止应激反应。

　　就像Michael Rapé所比喻的那样“当在夜间打扫房间时，需要开着灯，但是在睡觉前不关灯得话就会影响睡眠，而如果在打扫房间之前就把灯关掉，又会被绊倒，因此关灯的时机非常重要”。

　　在发生线粒体蛋白输入应激时，具有线粒体定位序列的蛋白与SIFI结合而被降解；当线粒体蛋白输入应激结束时，SIFI与线粒体输入蛋白应激感受器cDELE1和活化的HRI结合，终止应激反应

　　更为有意义的是，在ΔUBR4细胞中（模拟共济失调和早发性痴呆的情况[11]），使用HRI的抑制剂ISRIB终止应激反应后，即使无法清除积聚在细胞内的蛋白，细胞在受到应激后仍能保持很高的存活率，提示在这类患者中应激反应终止疗法具有很大潜力。

　　总的来说，本研究发现了细胞调控应激反应平衡的新机制，E3泛素连接酶复合体SIFI在调节线粒体蛋白输入应激时起到重要作用。

　　更为重要的是，研究人员发现即使无法清除异常积聚的蛋白，及时终止应激反应能很大程度避免细胞死亡，这一发现为治疗SIFI突变相关神经退行性疾病患者提供了新策略。