Actin重构调控应激条件下的蛋白酶体稳态

撰文 | 春晓

细胞需要正确的蛋白质在正确的和时间正确的位置或合成、或折叠、或修饰、或降解，彼此相亲相爱地维持着内稳态的平衡。稳态平衡受到破坏会导致蛋白质的错误折叠以及毒性物质的聚集。对这类错误折叠或者受损的蛋白质，有两种机制可以将它们降解掉：自噬-溶酶体系统和泛素-蛋白酶体系统（UPS）。在UPS中，蛋白质被泛素结合物标记，作为蛋白酶体降解的识别信号。蛋白酶体是一种大型多蛋白复合物，由一个“核心颗粒”（CP）和一两个“调节颗粒”（RPs）组成，CP蛋白水解活性，RP识别泛素化蛋白质并督促其移位到CP中降解。

哺乳动物中的mTORC1（酵母中为TORC1）具有促进白质、核苷酸和脂质等的合成代谢作用。当细胞应激时，TORC1失活，蛋白质降解增加【1】，这其中的自噬机制已被阐明，然而，蛋白酶体相关机制还不清楚。芽殖酵母中的TORC1失活导致选择性翻译蛋白酶体RP组装伴侣RPACs（19S regulatory-particle assembly chaperones，19S调节性颗粒组装伴侣），可是，这种选择性翻译的机制是什么呢？

2022年6月23日，英国邓迪大学的Adrien Rousseau研究小组在Nature Cell Biology杂志上发表题为Actin remodelling controls proteasome homeostasis upon stress的研究论文，在这篇研究论文中，作者证明了Actin重构对于调节编码应激诱导蛋白如RPACs的mRNA的定位和选择性翻译至关重要。

芽殖酵母中的TORC1失活导致MAP激酶Mpk1（哺乳动物中为ERK5）的激活。活化的Mpk1对于诱导蛋白酶体RP组装伴侣RPACs的翻译非常重要，为了更好地理解选择性RPAC翻译的机制，作者建立了FGH17报告系统，FGH17报告基因在RPAC Adc17调控元件的控制下编码2个N端Flag，1个绿色荧光蛋白GFP和1个C端HA标签，能够很好的反映内源性ADC17基因的调节。在雷帕霉素（TORC1抑制剂）治疗后，细胞中FGH17的基础水平显著增加，内源性RPAC Nas6也如此。

为了发现新的RPAC翻译调节因子，作者利用定量蛋白质组学在体内鉴定了RNA结合蛋白（图1），定量分析表明两种蛋白质Ede1和Cup1在WT中富集，找到了选择性RPAC翻译的潜在调节因子。作者进而在潜在调节因子中确定了Ede1对TORC1抑制后的RPAC诱导很重要。于是作者假设：Ede1在雷帕霉素治疗后将与ADC17 mRNA作用，以调节其翻译。

图1：蛋白质组学设计。① 雷帕霉素处理；② CHX处理；③ UV交联；④ 免疫沉淀翻译的FGH17 mRNA；⑤ RNase特异性洗脱；⑥ 蛋白质定量质谱。

为了验证这个假设，作者将PP7 loops引入内源性ADC17 mRNA（图2a），观察到Ede1和ADC17 mRNA频繁接触，这与最近报道的Ede1是一种潜在的RNA结合蛋白相一致【2】。为了证实Ede1在翻译水平调节ADC17 mRNA，作者采用了SunTag标记法（图2d）【3】，约23%的ADC17 mRNA在未经处理的细胞中具有翻译活性，在雷帕霉素处理的细胞中增加到约40%，表明ADC17 mRNA翻译在TORC1抑制后增加，这种增加的ADC17 mRNA翻译在经雷帕霉素处理的ede1Δ细胞中丢失，表明Ede1在TORC1抑制后对ADC17 mRNA翻译十分重要。

图2：Ede1在TORC1抑制后调控ADC17 mRNA翻译。

Ede1参与网格蛋白介导的内吞作用（clathrin-mediated endocytosis，CME）。为了确定内吞作用对应激介导的蛋白酶体组装是否重要，作者检测了参与CME的其他非必需蛋白质的突变体是否模拟ede1Δ细胞的缺陷，发现Ede1、Sla1和Vrp1对RPAC翻译都很重要。通过活细胞成像，作者观察到ADC17 mRNA沿着Actin运动。然而，运动的方向和机制是什么呢？

有报道指出，雷帕霉素会使Actin细胞骨架去极化【4】，因此，Actin去极化可能是RPAC诱导的关键步骤。为了确认这种可能性，作者追踪了Actin染色细胞中的ADC17 mRNA，结果表明，TORC1抑制后的Actin去极化将ADC17 mRNA进行了重新定位。进而作者用Lat-B断裂Actin，诱导出了蛋白酶体组装活性，在TORC1抑制后，Ede1在Actin去极化下游发挥作用，有助于稳定皮质Actin中的ADC17 mRNA。说明在雷帕霉素治疗后，Ede1介导的ADC17 mRNA在皮质肌Actin的募集对于刺激ADC17翻译至关重要。

mRNA定位和选择性翻译对发育、细胞迁移、应激抵抗等多种过程都很重要。这篇论文报道了ADC17-RPAC mRNA通过Actin运输，当Actin被应激破坏时，ADC17 mRNA重新定位到Ede1位点，翻译抑制减轻，并与皮质肌动蛋白斑块相互作用。雷帕霉素和Lat-B处理分别抑制和去除Actin后，mRNA在皮质Actin处稳定下来。这种RPAC mRNA的重新定位增加了RPAC的翻译，并最终在Ede1、Sla1和Vrp1存在的情况下进行蛋白酶体组装。这项工作表明，Actin重构控制应激下的mRNA定位和翻译，帮助蛋白质组适应环境和生理挑战。由于Actin作为细胞骨架与各种人类疾病都有关，因此更好地了解Actin细胞骨架重构如何在病理生理条件下控制选择性翻译具有重要的意义。

https://doi.org/10.1038/s41556-022-00938-4

制版人：十一

参考文献

1. Saxton, R. A. & Sabatini, D. M. mTOR signaling in growth, metabolism, and disease.Cell168, 960–976 (2017).

2. Shchepachev, V. et al. Defining the RNA interactome by total RNA-associated protein purification.Mol. Syst. Biol.15, e8689 (2019).

3. Wang, C., Han, B., Zhou, R. & Zhuang, X. Real-time imaging of translation on single mRNA transcripts in live cells.Cell165, 990–1001 (2016).

4. Torres, J., Di Como, C. J., Herrero, E. & de la Torre-Ruiz, M. A. Regulation of the cell integrity pathway by rapamycin-sensitive TOR function in budding yeast.J. Biol. Chem.277, 43495–43504 (2002).

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