综述：去泛素化酶在帕金森病中的作用：分子机制与治疗潜力

《Molecular Medicine》：Deubiquitinating enzymes in parkinson’s disease: molecular mechanisms and therapeutic potential

本综述系统阐述了去泛素化酶（DUBs）在帕金森病（PD）病理进程中的核心作用。文章重点揭示了特定DUBs如何通过调控α-突触核蛋白（α-synuclein）稳态、线粒体自噬（mitophagy）及铁代谢失衡等关键通路影响PD进展，并深入探讨了靶向DUBs的小分子抑制剂（如USP30抑制剂MTX325）作为疾病修饰疗法的巨大潜力，为开发多通路干预策略提供了新视角。

　　

引言

帕金森病（Parkinson's disease, PD）作为第二大常见的神经退行性疾病，其典型病理特征包括黑质多巴胺能神经元的选择性丢失以及由错误折叠的α-突触核蛋白（α-synuclein）聚集形成的路易体（Lewy bodies）。目前的治疗手段主要围绕多巴胺替代疗法（如左旋多巴）以缓解运动症状，但无法延缓或阻止疾病进程。因此，揭示PD的深层发病机制并寻找新的治疗靶点至关重要。

泛素-蛋白酶体系统（Ubiquitin-Proteasome System, UPS）是细胞内清除错误折叠蛋白质（包括α-synuclein）的核心机制。大量证据表明，UPS功能失调会导致毒性蛋白聚集，进而引发多巴胺能神经元功能障碍和死亡，形成恶性循环。去泛素化酶（Deubiquitinating Enzymes, DUBs）作为UPS的关键调控元件，能够通过切割底物蛋白上的泛素链，反向调节蛋白质的稳定性、定位及功能，从而在维持蛋白质稳态中扮演着平衡者的角色。

去泛素化酶的分类与功能特征

DUBs的分类

人类基因组编码约100种功能明确的DUBs，根据其催化结构域和机制特性，可系统分为几个主要家族。最主要的是半胱氨酸依赖性去泛素化酶，包括五个结构不同的家族：泛素特异性蛋白酶（USP）、卵巢肿瘤蛋白酶（OTU）、泛素C端水解酶（UCH）、马查多-约瑟夫病蛋白酶（MJD）、含锌指泛素肽酶（ZUSFP）以及与泛素相互作用基序的新型DUB家族（MINDY）。它们利用活性位点的半胱氨酸残基进行亲核攻击。与之相对，JAMM/MPN家族是唯一的锌依赖性金属蛋白酶DUBs。此外，新近表征的ZUFSP家族则展现出独特的催化机制。

泛素化与去泛素化过程

泛素化-去泛素化循环是真核细胞中可控蛋白质降解的核心机制。泛素化过程涉及E1泛素激活酶、E2泛素结合酶和E3泛素连接酶的三步酶促级联反应，最终将泛素分子共价连接到特定底物蛋白的赖氨酸残基上。其逆反应则由DUBs催化，它们特异性切割底物蛋白上的泛素分子，精确调控蛋白质的命运。泛素系统通过不同的链连接类型（如M1, K6, K11, K27, K29, K33, K48, K63）产生多样化的泛素链拓扑结构，从而介导特定的细胞功能。例如，K48连接的多聚泛素链主要靶向底物至蛋白酶体降解，而K63连接的链则通常调控非降解过程，如蛋白活性调节和细胞内运输。

PD相关DUBs及其病理生理学作用

PD相关的DUBs

DUBs的动态平衡深刻影响着PD相关的神经退行性过程。多个DUBs已被证实与PD发病机制的关键方面存在机制性联系。

分类

DUBs

功能

介导α-突触核蛋白降解

UCH-L1

I93M突变改变UCH-L1构象并产生毒性

OTUB1

其寡聚体和原纤维形式增加α-突触核蛋白水平

OTUD2

去泛素化并 destabilizes α-突触核蛋白

USP19

促进α-syn聚集体的解体但抑制其有效清除

USP8

在Parkin非依赖性自噬和线粒体去极化引起的应激性自噬中均起作用

USP9X

移除SIAH对α-突触核蛋白的单泛素化

介导线粒体自噬

USP8

在Parkin非依赖性自噬和线粒体去极化引起的应激性自噬中均起作用

USP15

拮抗Parkin介导的泛素链形成

USP30

拮抗Parkin介导的泛素链形成

USP33

降低Parkin稳定性及其向去极化线粒体的转运

介导铁沉积

OTUD3

调节IRP2的泛素化修饰

DUBs在PD发病中对α-突触核蛋白稳态的调控

DUBs通过直接调节α-synuclein的泛素化状态，深刻影响其稳定性、聚集倾向和降解途径。UCH-L1的I93M突变会诱导构象改变，削弱其去泛素化活性并产生毒性。质谱分析发现OTUB1是α-synuclein的相互作用蛋白，其寡聚体和纤维状形式会升高SH-SY5Y细胞中总α-synuclein和病理性的pS129-α-synuclein水平。基因表达谱比较显示PD患者黑质中OTUD2水平上调，其通过切割K6、K11、K33、K63和K29连接的泛素链来直接调节α-synuclein。同样，USP8通过去泛素化减少K63连接的多聚泛素化来调节α-synuclein毒性。USP19是α-synuclein非常规分泌途径的关键调节因子，其敲除可改善泛素化聚集体的形成。USP9X则通过去泛素化来协调α-synuclein降解途径的选择。

DUBs在PD发病中对线粒体稳态的调控

DUBs是PD中线粒体质量控制的关键调节因子，协调着线粒体动力学、氧化应激反应和能量代谢等关键过程。USP8通过与Parkin直接相互作用，影响线粒体功能和α-synuclein降解途径。USP8的基因敲除能增强α-synuclein清除，并在果蝇PD模型中提供神经保护。线粒体DUB网络复杂地调控着Parkin介导的质量控制：USP15功能上拮抗Parkin依赖的线粒体泛素化和随后的自噬清除；而定位于线粒体外膜的USP30则直接逆转Parkin对底物（如MFN1/2, VDAC1, TOMM20）的泛素化，有效阻断泛素信号放大并损害受损线粒体的清除。相反，USP33通过去泛素化PRKN（Parkin）成为线粒体自噬的负调控因子，其抑制可稳定PRKN蛋白水平，增强线粒体自噬流，并保护SH-SY5Y细胞免受MPTP诱导的凋亡。

DUBs在PD发病中对铁代谢的调控

铁代谢失衡是PD的一个标志性特征，在神经退行性变化最显著的脑区观察到病理性铁沉积。铁与α-synuclein聚集体在PD患者黑质中的共定位提示了潜在的协同病理关系。在调控铁稳态的DUBs中，OTUD3是一个关键角色。OTUD3缺陷小鼠重现了关键的PD特征，包括黑质和纹状体进行性铁积累、运动功能障碍和年龄依赖性多巴胺能神经元变性。机制研究表明，OTUD3通过以铁不依赖的方式稳定铁调节蛋白2（IRP2）来调节脑铁代谢。OTUD3通过去泛素化和稳定IRP2在黑质中发挥关键的神经保护作用。因此，OTUD3-IRP2轴是连接神经内分泌紊乱与PD中下游铁诱导毒性的关键分子桥梁。

靶向DUB策略在PD治疗中的治疗潜力

针对DUB活性的小分子调节剂（包括抑制剂和激活剂）的开发代表了一种有前景的治疗策略。目前的研究主要集中在两大类干预策略：小分子抑制剂和基因疗法。其中，小分子抑制剂是研究最深入的治疗方式，几种选择性化合物在临床前研究中显示出显著疗效。

USP8抑制剂的治疗潜力

虽然去泛素化酶抑制剂主要是在肿瘤学中探索，但其在神经退行性疾病中的应用仍处于临床前开发阶段。研究者已鉴定出查尔酮衍生物RA-9和RA-14作为选择性USP8抑制剂，具有不同的作用机制。尽管这些化合物尚未在PD模型中进行评估，但它们对USP8的药理学靶向基于USP8调节两个关键PD通路（线粒体功能维持和α-synuclein稳态）的既定证据，具有治疗应用潜力。

USP9X抑制剂的治疗潜力

最近的药理学进展已鉴定出两种有效的USP9X抑制剂：WP1130和新型化合物EOAI3402143。尽管这些化合物最初是为肿瘤应用开发的，但它们调节蛋白质稳态和凋亡途径的分子机制与PD的关键病理特征显著重合，表明这些抑制剂可能对PD治疗具有直接相关性。

USP14抑制剂在PD管理中的治疗潜力

USP14已成为PD中蛋白质稳态的关键调节因子，其去泛素化活性对蛋白酶体功能和线粒体自噬这两个在PD发病机制中基本受损的过程产生负面影响。在开发的USP14抑制剂中，IU1是迄今为止表征最广泛的化合物，临床前研究已证实IU1能促进Tau和ataxin-3等致病蛋白的清除，同时减少毒性蛋白积累和随后的神经元损伤。

USP30抑制剂的治疗潜力

越来越多的证据表明，α-synuclein诱导的线粒体功能障碍在PD发病机制中起着关键作用。在慢性α-synuclein小鼠模型中，通过USP30抑制或基因敲除来药理学增强线粒体自噬已成为一种可行的神经保护策略。具有反应性氰酰胺结构的USP30抑制剂FT385能与USP30形成共价加合物，有效诱导SH-SY5Y神经元细胞中的线粒体自噬。值得注意的是，受损的Mfn2泛素化与PD病理直接相关。化合物15-氧代螺旋内酯通过完全恢复Mfn1/Mfn2缺陷细胞模型中的氧化呼吸能力和线粒体网络完整性显示出特殊前景。

小分子USP30抑制剂MTX325表现出针对中枢神经系统靶向的最佳药理学特性。作为PINK1/Parkin介导的线粒体自噬的生理拮抗剂，USP30代表了一个战略性的治疗靶点，MTX325通过双重机制发挥其神经保护作用：有效抑制USP30活性以及增强受损线粒体的泛素化。利用遗传学和药理学方法的综合临床前评估证明了一致的神经保护作用。这些多模式治疗效果强烈地将USP30抑制剂定位为有前景的疾病修饰候选药物。

讨论与未来展望

新兴研究已确定多种DUBs通过调节关键病理过程在PD发病机制中扮演关键角色。这些酶代表了调节PD中毒性蛋白质聚集体清除的有希望的治疗靶点。然而，DUBs靶向疗法的发展仍处于起步阶段，面临许多需要克服的重大挑战。

DUBs的临床转化面临多重挑战。首先，DUB抑制剂的特异性仍然是一个关键问题。其次，血脑屏障是治疗像PD这样的中枢神经系统疾病的主要挑战。当前DUB抑制研究中的临床试验障碍仍然很大。此外，DUBs复杂的生物学功能带来了毒性风险。

与传统的抑制策略相比，新兴技术为DUB靶向治疗开辟了新途径。例如PROTAC技术，通过招募E3连接酶诱导靶蛋白降解，其在临床前模型中已显示出优于传统抑制剂的抗肿瘤功效，特别是在降解USP7方面，同时可能克服传统抑制剂的耐药性。然而，PROTAC分子通常体积庞大，血脑屏障渗透性较差。同样，像CRISPR这样的基因编辑技术可以直接纠正异常的DUB表达，但仍然面临体内递送效率低、脱靶编辑风险和伦理问题等限制。

总之，DUBs已被证明调控PD病理的几乎所有方面。虽然临床前研究已验证了其治疗潜力，但在抑制剂特异性和递送优化方面仍存在显著障碍。未来的研究方向应优先考虑：开发亚型选择性抑制剂以最小化脱靶效应；优化血脑屏障穿透性；以及通过临床转化管道推进先导化合物。解决这些挑战对于实现DUB调控在PD治疗乃至其他神经退行性疾病中的全部治疗潜力至关重要。