蛋白质降解机理

受调节的蛋白水解在维持细胞内稳态中起着重要作用，在许多病理条件中都有涉及。蛋白质水解是指用酶将蛋白质分解成多肽和氨基酸，这些多肽和氨基酸可以被细胞回收，以用于将来的蛋白质合成。泛素-蛋白酶体系统（UPS），也被称为泛素-蛋白酶体途径（UPP），和溶酶体蛋白水解途径是介导蛋白质周转的关键细胞机理。通过这些途径，细胞调节蛋白质表达水平，并从循环中去除错误折叠的或功能失调的蛋白质。最近，科学家们已经找到了利用这些降解途径的方法，通过使用靶向蛋白质降解等工具来靶向负责特定疾病状态的蛋白质，通过诱导蛋白质降解来特定调节目标蛋白质。

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两种主要的蛋白质降解途径（UPS和溶酶体蛋白水解途径）调节许多细胞过程，包括细胞周期、细胞信号传导、应激反应、细胞凋亡、细胞自噬、蛋白质表达和DNA转录。此外，蛋白质质量控制是由UPS介导，通过降解错误折叠、功能失调或其他异常蛋白质来促进细胞蛋白质周转。依赖于UPS和溶酶体降解途径，通过调节蛋白质维持细胞内稳态和生理功能。因此，这两个途径的调节异常与一系列疾病有关，其中包括多种癌症、帕金森病、阿尔茨海默病、肌萎缩性侧索硬化症和囊性纤维化等[1-4]。

鉴于UPS和溶酶体蛋白水解途径同时都起作用，它们共享分子组分并直接影响彼此的活性也就不足为奇了。在这篇文章中，我们将讨论不同的途径机理，每个途径介导的细胞功能，以及可用于评估蛋白质降解的检测方法。

蛋白质组的动态调节和维持需要对蛋白的合成、折叠、转运和降解进行精确的控制[1]。UPS可选择性靶向降解泛素（Ub）标记的细胞内蛋白。泛素化过程通过泛素激活酶（E1）、泛素结合酶（E2）和泛素连接酶（E3）的顺序作用发生。多泛素化蛋白质被一种大的多亚基蛋白酶复合物（被称为蛋白酶体）识别和降解。蛋白酶体与泛素化底物结合并展开蛋白质，使去泛素化酶去除泛素分子，然后蛋白质被转移到蛋白酶体的中心核心，进行蛋白质水解（图1）。

这种受到严格调节的泛素介导的蛋白质降解系统在细胞存活（例如：自噬）和细胞死亡（例如：细胞凋亡）的途径中起着至关重要的作用[5]。细胞组分的有序降解和循环扮演质量控制的重要角色，去除不必要的或功能失调的蛋白质。UPS通过蛋白质周转调节蛋白质表达水平，根据细胞需要控制蛋白质的合成和降解。

除了调节蛋白表达，UPS通过靶向细胞周期调节剂进行降解，通过直接协调间期进程来介导细胞生长[6]。UPS以细胞周期蛋白和细胞周期蛋白依赖的激酶抑制剂（控制细胞周期的一类蛋白）为靶点，协调细胞生长和分裂。细胞周期进程是由细胞周期蛋白依赖性激酶驱动的，其酶激活依赖于它们与细胞周期蛋白的结合。在细胞周期蛋白与激酶的这种配对驱动细胞周期过程的同时，独立的细胞周期蛋白不断经历细胞周期调节的合成和降解，以控制它们的表达水平。细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂通过抑制细胞周期蛋白依赖性激酶酶活性来阻止细胞周期进程。细胞周期蛋白的失调通常是由于这些蛋白质降解的扰乱造成的，并与各种类型的癌症和疾病有关[7]。

继续阅读：使用泛素-蛋白酶体途径进行的蛋白质降解

在UPS的蛋白酶体降解调节细胞内蛋白质的同时，细胞外蛋白质和细胞表面受体被溶酶体蛋白水解途径内吞和降解。尽管溶酶体蛋白水解途径可以降解与UPS相似的完整、错误折叠和聚集的蛋白质，但降解机理不同。

为了通过溶酶体蛋白水解降解蛋白质，细胞外蛋白必须通过受体介导的内吞作用、胞饮作用或吞噬作用被内化并运输到溶酶体（图2）。一旦蛋白质进入细胞，它们通过囊泡融合和多囊体的形成被引入溶酶体，激活溶酶体蛋白水解途径。

溶酶体是酸性的，膜结合的细胞质细胞器，含有pH敏感水解酶，即利用水分子裂解键的酶[8]。当携带蛋白质的囊泡与溶酶体膜融合时，蛋白质暴露于细胞器内的溶酶体水解酶。溶酶体包含多种水解酶，包括脂肪酶、磷酸酶、糖苷酶、肽酶和核苷酶等。这些酶在多种核心分解代谢过程中发挥关键作用，这些分解代谢过程通过溶酶体蛋白水解途径按照下述过程降解大分子和细胞器[8-10]。

1. 受体介导的内吞作用：受体介导的内吞作用发生在配体与细胞表面上它的受体结合时。受体-配体复合物内化于网格蛋白小窝中，成为内吞囊泡。酸性pH会引发配体从它们的受体中释放，从而解除它们的转运命运。内吞作用通过控制细胞膜蛋白的细胞表面表达来维持正常的细胞生理过程，如代谢和细胞信号转导，而异常的内吞过程会在疾病中发挥重要作用。许多研究工具可用于帮助确定内吞作用的阶段，例如：使用荧光膜染色来跟踪囊泡形成，或使用荧光蛋白来监测细胞内早期内体到早期溶酶体形成的发展。pHrodo pH指示剂在中性pH条件下具有低荧光，在酸性环境下荧光增强，可以根据内吞过程中囊泡pH的变化来监测内吞过程的各个阶段。
2. 胞饮作用：胞饮作用是一种内吞作用，涉及非特异性吞噬周围细胞外液中的小分子。胞饮作用主要用于细胞对细胞外液和营养物质的吸收，以及对废物的去除。为了清除周围的环境，细胞膜会吞噬细胞外液及其包含物，形成一个小袋，该小袋可以夹断以形成内化的囊泡。然后这个囊泡与溶酶体融合，其中的包含物通过溶酶体蛋白水解途径被消化。许多用于内吞作用的工具，包括荧光膜染色剂、荧光蛋白、pHrodo pH指示剂和荧光葡聚糖共轭物，也可用于监测胞饮作用。
3. 吞噬作用：吞噬作用是细胞内吞作用的另一种形式，它描述了细胞质膜将外源颗粒物（如微生物）内化，从而产生称为吞噬体的内部囊泡。吞噬体与溶酶体融合，引发溶酶体蛋白水解途径。这一过程对免疫反应和凋亡细胞的清除很重要。荧光BioParticles（生物粒子）是用pHrodo pH指示剂或其他荧光染料标记的细菌和酵母，可以用于可视化和追踪吞噬作用。
4. 自噬：自噬对细胞分化、营养剥夺期间的生存和正常生长控制都很重要。细胞内应激或需要降解细胞质蛋白和细胞器时，自噬-溶酶体途径被激活。在自噬过程中，囊泡（或吞噬泡）包裹细胞质成分并形成双膜自噬体，随后与溶酶体融合进行蛋白水解。虽然自噬参与了溶酶体依赖的降解途径，但最近的研究发现UPS与自噬之间存在关联[5、11]。自噬受体同时结合泛素化的货物和自噬特异性泛素样修饰物，提供对自噬途径的精确控制[11]。可以通过追踪LC3B和p62以及用于蛋白质合成和降解的荧光溶酶体标记和Click-iT试剂来监测自噬。

图 2.溶酶体蛋白水解途径。蛋白质降解通过用于吞噬细胞外蛋白质的多种细胞过程发生，包括受体介导的内吞作用、胞饮作用、吞噬作用和自噬作用。一旦蛋白质被引入细胞，它们就会被运输到溶酶体以引发溶酶体蛋白水解途径，从而进行蛋白质降解。

继续阅读：可见的自噬作用
继续阅读：用pHrodo染料追踪活细胞中的内化

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UPS和溶酶体蛋白水解途径都可以调节细胞正常生理所需的蛋白质，它们的功能紊乱与多种疾病有关。科学家们已经开发出利用UPS的日常机理、溶酶体蛋白水解途径、以及新的药理学工具来诱导靶向蛋白质降解（TPD）的方法。已经开发了几种异双功能蛋白质降解剂，它们接管了UPS或溶酶体蛋白水解途径中的机理，以选择性地降解目标蛋白质（POI）。利用这项技术，科学家可以人为地诱导细胞中目标蛋白的降解，从而促成一种新的治疗方式。

PROteolysis TArgeting Chimeras （PROTAC®）蛋白质降解剂靶向细胞内蛋白质。PROTAC是具有特异性配体的双功能分子，特定用于POI和E3连接酶。PROTAC蛋白降解剂同时结合POI和E3连接酶，形成三元复合物，诱发POI泛素化，以及其随后被UPS的降解。

细胞外蛋白约占蛋白质组的40%，包括生长因子和细胞因子等类别。溶酶体靶向嵌合体（LYTAC）被用作靶向细胞外蛋白的降解剂，包括分泌蛋白和细胞表面蛋白。LYTAC是一种具有双重功能的小分子，可同时结合内源性细胞表面溶酶体靶向受体和细胞外POI。在双靶向结合后，细胞外的POI被网格蛋白介导的内吞作用内化，以转运到溶酶体进行降解。

通过TPD，可以调节特定蛋白的水平，减少它们的表达，限制它们在细胞中的功能。像PROTAC或LYTAC这样的TPD工具有可能实现蛋白质的治疗性调节，而传统的小分子药物干预以前很难对这些蛋白质进行操控。这种新的模式有可能获得具有高度生物医学重要性的目标，但用目前的技术是在以前是难以实现的。