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重磅!张纪岩及曹雪涛等发现电子转移黄素蛋白可以被类泛素化作用

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Neddylation是一种泛素化样途径,通过将NEDD8共价缀合至特定底物蛋白中的赖氨酸来控制细胞存活和增殖。但是,在哺乳动物新陈代谢中,Neddylation的生理作用仍然难以捉摸,并且尚未发现线粒体靶标。

近期,张纪岩及曹雪涛等在PNAS 在线发表题为“Hepatic neddylation targets and stabilizes electron transfer flavoproteins to facilitate fatty acid β-oxidation”的研究论文,该研究报道具有NEDD8或泛素样修饰物激活酶3(UBA3,NEDD8激活酶的催化亚基)的肝脏特异性缺陷的小鼠模型,表现出新生儿自发性脂肪肝死亡以及肝细胞衰老。特别是,肝脏特异性UBA3缺乏症会导致类似于II型戊二酸尿症(GA-II)的系统异常,这是一种罕见的常染色体隐性遗传遗传性脂肪酸氧化疾病,是由线粒体电子转移黄素蛋白(ETFs:ETFA和ETFB)缺陷引起的。

通过各种策略抑制Neddylation作用可导致新生儿肝脏和胚胎肝细胞中ETFs的蛋白质水平降低。Neddylation还可以增强成年小鼠的ETF表达,并防止空腹诱导的脂肪变性和死亡率。有趣的是,肝细胞线粒体中的Neddylation作用活跃。ETF是Neddylation底物,并且通过抑制其泛素化和降解,Neddylation作用可以稳定ETF。此外,在GA-II患者中发现的ETFs的某些突变阻碍了这些底物的Neddylation。综上所述,该研究结果揭示了Neddylation的底物,并增加了对GA-II的了解。

电子转移黄素蛋白(ETFs:ETFA和ETFB)和电子转移黄素蛋白-泛醌氧化还原酶(ETF-QO)是线粒体中电子运输链的组成部分。ETFA和ETFB共同将涉及脂肪酸β-氧化(FAO)和一碳代谢的多种黄素脱氢酶的脱氢反应中的电子转移至ETF-QO,以还原泛醌,这对于氧化磷酸化至关重要。该系统的缺陷使人体无法代谢脂质,从而在肝脏和肌肉中产生能量,并导致各种线粒体内的酰基辅酶A酯的积累。其次,游离酸和其他结合产物,包括大量的赖氨酸代谢中间体戊二酸,会在血液和尿液中积聚,从而导致称为II型戊二酸尿症的疾病(GA-II)。

GA-II的临床症状包括不同程度的低酮症性低血糖症,高氨血症,酸中毒,肝脏脂肪变化,血液中各种链长的酰基肉碱的积累以及特征性尿液有机酸谱。在大多数情况下,影响相应信使RNA(mRNA)或蛋白质稳定性的Etfa / Etfb / Etf-qo突变是GA-II的分子基础。但是,在某些患者中,未发现Etfa / Etfb / Etf-qo基因突变,并且潜在的机制仍然难以捉摸。

泛素样蛋白NEDD8与底物蛋白中的某些赖氨酸共价结合,与泛素化非常相似,这一过程被称为Neddylation。Neddylation是由NEDD8活化酶E1(NAE),NEDD8偶联酶E2(通常为Ubc12)和某些NEDD8-E3连接酶的连续作用触发的。NAE是APPBP1和催化亚基泛素样修饰物激活酶3(UBA3)的异二聚体。Neddylation作用最典型的底物是Cullins,它们是Cullin-RING E3泛素-连接酶复合物(CRL)的重要组成部分。Cullins的糖基化增强了CRL的活性,从而有助于细胞周期进程和细胞存活。因此,抑制Neddylation作用已被认为是各种恶性肿瘤的一种潜在治疗策略。

非Cullin的Neddylation作用靶标的发现表明,Neddylation作用可能发生在各种细胞器中,并且具有多种生物学功能。例如,Neddylation靶向p53抑制其转录活性,靶向膜受体TGF-βRII促进其稳定性和内吞作用,靶向核糖体蛋白的一部分以促进其稳定性和正确的定位 。Neddylation在突触中也很活跃,并至少部分地通过靶向支架蛋白PSD-95来调节树突棘的成熟,稳定性和功能。所涉及的Neddylation底物和细胞器的表征仍然是该领域的重点。

最近,在代谢中已经涉及了 Neddylation作用。例如,NEDD8在经历分化的前脂肪细胞中被诱导,而NAE的选择性抑制剂MLN4924抑制脂肪形成和脂质滴的形成。然而,在哺乳动物新陈代谢中, Neddylation的生理作用仍然难以捉摸,并且没有线粒体靶标的报道。

由于肝脏是必不可少的代谢器官,因此该研究旨在通过肝脏特异性的抑制 Neddylation来探讨上述问题。该研究数据表明,肝 Neddylation可至少部分地通过靶向和稳定线粒体底物ETFA和ETFB来预防新生小鼠中的GA-II样异常,并延缓由空腹引起的死亡率。

该研究报道具有NEDD8或泛素样修饰物激活酶3(UBA3,NEDD8激活酶的催化亚基)的肝脏特异性缺陷的小鼠模型,表现出新生儿自发性脂肪肝死亡以及肝细胞衰老。特别是,肝脏特异性UBA3缺乏症会导致类似于II型戊二酸尿症(GA-II)的系统异常,这是一种罕见的常染色体隐性遗传遗传性脂肪酸氧化疾病,是由线粒体电子转移黄素蛋白(ETFs:ETFA和ETFB)缺陷引起的。

通过各种策略抑制Neddylation作用可导致新生儿肝脏和胚胎肝细胞中ETFs的蛋白质水平降低。Neddylation还可以增强成年小鼠的ETF表达,并防止空腹诱导的脂肪变性和死亡率。有趣的是,肝细胞线粒体中的Neddylation作用活跃。ETF是Neddylation底物,并且通过抑制其泛素化和降解,Neddylation作用可以稳定ETF。此外,在GA-II患者中发现的ETFs的某些突变阻碍了这些底物的Neddylation。综上所述,该研究结果揭示了Neddylation的底物,并增加了对GA-II的了解。

参考消息:

https://www.pnas.org/content/117/5/2473

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