Nat Cell Biol | PEX39: 一个新的过氧化物酶体功能蛋白

撰文|存中一贯

过氧化物酶体（peroxisomes）几乎存在于所有的真核生物体内，是一种非常重要的细胞器，负责一些关键的生化反应，比如脂肪酸的β氧化【1】。过氧化物酶（Peroxins, PEXs）是过氧化物酶体生物发生所必需的蛋白质，多种PEXs能够促进酶从细胞质进入过氧化物酶体基质（管腔）【2】。过氧化物酶基因缺陷会导致许多疾病的发生，比如Zellweger谱系障碍（Zellweger spectrum disorders）【3】。

过氧化物酶体的酶中普遍存在1型或者2型过氧化物酶体靶向信号（peroxisomal targeting signal,PTS1/PTS2），其中PTS1信号更普遍【4】。尽管含有PTS2信号的蛋白较少，但这些蛋白往往和代谢功能密切相关，比如PHYH（phytanoyl-CoA 2-hydroxylase，参与脂肪酸α氧化）和AGPS（alkyl-DHAP synthase，参与髓磷脂合成）等【5】。在细胞质中，PEX5和PEX7受体通过它们自身的PTS1和PTS2信号结合货物蛋白，并起始这些货物蛋白向过氧化物酶体的转运。需要注意的是，负载货物蛋白的PEX7需要和协同受体结合才能起始下游的转运机制，在酿酒酵母中这个工作由Pex18/Pex21完成，而在人细胞中协同受体是PEX5的长变体【5】。之后，携带货物蛋白的PEX5或PEX7和协同受体组成的复合物被招募到过氧化物酶体的对接/易位模块，这个模块含有膜蛋白PEX13和PEX14，在酵母中则是Pex17【7,8】。有研究人员提出，PEX13是过氧化物酶体中蛋白转运的通道蛋白，不过我们对于这一方面的认识还不完全，还需要更深入的研究。

近日，来自德国维尔茨堡大学的Bettina Warscheid团队、葡萄牙波尔图大学的Jorge E. Azevedo团队以及美国德克萨斯大学西南医学中心的Ralph J. DeBerardinis团队联合在Nature Cell biology发表了文章

PEX39 facilitates the peroxisomal import of PTS2-containing proteins

为了探究PTS2信号含有蛋白的输入机制，研究人员分析了BioGRID和BioPlex数据库中PEX7的相互作用蛋白，发现酵母菌中的Yjr012c和人源C6ORF226都和PEX7之间存在相互作用，不过这两个蛋白本身不含有PTS2信号，同时，C6ORF226还能够和PHYH以及ACAA1这两个含有PTS2信号的蛋白结合。序列比较显示，Yjr012c和C6ORF226之间具有高度的同源性，比如都含有DUF5572结构域以及(R/K)PWE基序。而在过氧化物酶体生物发生中发挥重要作用的PEX13虽然没有DUF5572结构域，但是却含有KPWE基序，说明这两个蛋白很可能在过氧化物酶体生物发生中具有重要功能，因此，研究人员将人源C6ORF226命名为HsPEX39，将酵母菌Yjr012c命名为ScPex39。

之后，研究人员通过免疫共沉淀实验探究了ScPex39和 HsPEX39的相互作用蛋白，在酵母菌中ScPex39和Pex18之间存在相互作用，而在人的细胞系HCT116和HEK293T中，PHYH、ACAA1、PEX7以及PEX5都能与HsPEX39结合，说明PEX39在过氧化物酶体的生物发生中可能具有重要功能。研究人员对此进行了深入检测，首先研究人员分别以油酸和葡萄糖为唯一碳源培养酵母菌，以油酸为唯一碳源时，酵母菌需要通过β氧化获取能量，在此过程中过氧化物酶体发挥了关键功能，当敲除 Scpex39或者pex7基因时，酵母菌无法通过单一油酸碳源进行生长，但通过葡萄糖单一碳源生长则不受影响，说明这两个基因对于过氧化物酶体介导的β氧化是必需的，但与葡萄糖代谢则没有关联。另外，Scpex39敲除还影响了含有PTS2信号蛋白的亚细胞定位，使它们在细胞质的定位增多，但对含有PTS1信号蛋白的亚细胞定位则没有影响。

有意思的是，在Scpex39敲除的酵母菌中，Pex7的表达下调了，这可能是PTS2信号蛋白转运失调的原因，不过，过表达Pex7仅能恢复部分PTS2信号蛋白的转运，说明ScPex39调控PTS2信号蛋白转运不仅仅是通过调节Pex7的表达量，还存在其它分子机制。

在人源细胞系CAKI-2和NCl-H1792中，敲除HsPEX39基因并没有影响PEX7和PEX5的表达水平，这与酵母中的结果并不相同。不过，HsPEX39的下调增加了前体PHYH的水平，降低了成熟PHYH水平，但对ACAA1和AGPS没有影响。与酵母菌中一致的是，HsPEX39的下调会损伤PTS2信号蛋白的输入，但这种影响没有PEX7敲除的影响大。

研究人员进一步探究了HsPEX39过表达对PTS2信号蛋白输入的影响，发现HsPEX39过表达造成3种PTS2信号蛋白前体物的增加，而其成熟物则减少；亚细胞定位也显示3种PTS2信号蛋白在细胞质定位增加，在过氧化物酶体中的定位减少，PEX7和PEX5的水平也没有发生变化，这与HsPEX39敲除引起的表型非常类似。研究人员在酵母菌中过表达ScPex39获得了类似的结果，以油酸为唯一碳源的酵母菌生长受到抑制，但Pex7的水平没有发生变化，不过Pex7在过氧化物酶体中的定位增加了，而PTS2信号蛋白以及PTS1信号蛋白在过氧化物酶体中的定位没有发生改变。

研究人员进一步通过探究了HsPEX39对PEX7-PHYH复合物形成的影响，发现HsPEX39促进了PEX7-PHYH复合物形成。利用AlphaFold预测HsPEX39与PEX7、PHYH或者PEX5相互作用的结构基础，发现HsPEX39通过保守的KPWE基序结合PEX7，而其N端半包裹着PEX7，并与PTS2结构域结合，从而充当钳夹以增强PEX7-PHYH的相互作用。研究人员通过氨基酸突变进一步证实了KPWE保守基序在复合物相互结合中发挥的关键作用。

由于PEX13的N端结构域中同样含有KPWE基序，研究人员推测PEX13可能也能通过PEX7等促进PTS2信号蛋白的输入，进一步的实验证实了研究人员的这种推测，PEX13和PEX7之间存在确实的相互作用，这同样表明KPWE基序在过氧化物酶体生物发生中具有重要作用。研究人员还确定了PEX7中能够与PEX13和PEX39中KPWE基序结合的关键氨基酸位点。

总之，本研究发现了过氧化物酶体生物发生过程中一个新的关键蛋白PEX39，它在多个物种保持了类似的功能，本研究鉴定了其通过PEX7调控PTS2信号蛋白输入的分子机制，为理解过氧化物酶体功能提供了新的理论基础。

https://doi.org/10.1038/s41556-025-01711-z

制版人： 十一

参考文献

1、 Kumar, R., Islinger, M., Worthy, H., Carmichael, R. & Schrader, M. The peroxisome: an update on mysteries 3.0. Histochem. Cell Biol. 161, 99–132 (2024).

2、 Yifrach, E. et al. Defining the mammalian peroxisomal proteome. Subcell. Biochem. 89, 47–66 (2018).

3、 Waterham, H. R., Ferdinandusse, S. & Wanders, R. J. Human disorders of peroxisome metabolism and biogenesis. Biochim. Biophys. Acta 1863, 922–933 (2016).

4、 Brocard, C. & Hartig, A. Peroxisome targeting signal 1: is it really a simple tripeptide? Biochim. Biophys. Acta 1763, 1565–1573 (2006).

5、 Jansen, G. A. et al. Refsum disease is caused by mutations in the phytanoyl-CoA hydroxylase gene. Nat. Genet. 17, 190–193 (1997).

6、 Kunze, M. The type-2 peroxisomal targeting signal. Biochim. Biophys. Acta Mol. Cell. Res. 1867, 118609 (2020).

7、 Bottger, G. et al. Saccharomyces cerevisiae PTS1 receptor Pex5p interacts with the SH3 domain of the peroxisomal membrane protein Pex13p in an unconventional, non-PXXP-related manner. Mol. Biol. Cell 11, 3963–3976 (2000).

8、 Otera, H. et al. Peroxisomal targeting signal receptor Pex5p interacts with cargoes and import machinery components in a spatiotemporally differentiated manner: conserved Pex5p WXXXF/Y motifs are critical for matrix protein import. Mol. Cell. Biol. 22, 1639–1655 (2002).

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