USP38在细胞应激适应中的作用：依赖于情境的泛素链编辑

《Cellular Signalling》：The role of USP38 in cellular stress adaptation: Context-dependent ubiquitin chain editing

摘要

泛素特异性蛋白酶38（USP38）在特定底物上编辑泛素链，在不同的应激条件下产生不同的生物学效应，因此作为一种依赖于上下文的泛素链编辑酶发挥作用。USP38最近被认为与先天免疫、炎症转录、纤维化重塑、缺氧适应、脂质代谢、基因组维持和肿瘤进展有关。然而，现有的研究分散在不同的底物和疾病模型中，可能导致将USP38简单地视为一种蛋白质稳定因子的观点。因此，本综述从底物和泛素链类型的角度整合了USP38的分子功能，并提出可以将USP38视为一种依赖于上下文的泛素链修饰因子。通过去除或重塑特定的泛素链，USP38可以改变底物的稳定性、调节信号持续时间并重置细胞应激反应的阈值。USP38作用于多种底物，不同的USP38-底物轴可以将链类型的去泛素化转化为多种生物学结果，包括炎症和纤维化反应、缺氧和代谢适应、铁死亡相关的脆弱性、DNA修复和治疗反应，从而建立了这些过程之间的机制联系。现有证据表明，USP38介导的去泛素化取决于连接类型和从给定底物上去除的修饰位点，功能结果从蛋白质稳定和酶活性改变到随后的底物降解不等。本综述进一步整合了底物结合、USP38的复杂招募、细胞类型以及刺激依赖的相互作用动态，以解释这些分子变化如何在不同的应激条件下转化为不同的生物学结果。我们还将经过充分验证的底物机制与仍需测试的整合模型区分开来。因此，依赖USP38的应激适应网络可能在某些肿瘤和慢性炎症疾病中创造可利用的治疗脆弱性，尽管系统抑制USP38也可能损害正常的组织稳态。未来的研究应从验证单一底物发展到探索链类型解析的泛素组学，绘制应激条件下的互作组，并开发基于生物标志物的、特定于上下文的治疗策略。

引言

泛素化是一种高度保守且可逆的翻译后修饰。通过E1激活酶、E2连接酶和E3连接酶的级联作用，泛素以单泛素化、多单泛素化或多泛素链的形式共价连接到底物蛋白上，从而调节蛋白质的稳定性、活性、亚细胞定位和相互作用网络[1]、[2]、[3]。与蛋白酶体相关的和非降解信号可能在同一蛋白质上共存，导致降解、修复、转录重塑和运输之间的竞争。因此，泛素代码作为一个动态调节系统，将蛋白质稳态与细胞对压力的适应联系起来[4]、[5]。它主要由修饰位点、链长度、连接类型、分支模式和时空上下文决定。通常，K48连接的多泛素链（通过赖氨酸48连接的泛素）是蛋白酶体降解的典型信号，而K11链（赖氨酸11连接）特别参与细胞周期相关底物的降解。K63链（赖氨酸63连接）通常介导非蛋白酶体过程，包括信号复合物的组装、DNA损伤反应和膜运输，但在特定情况下也可能参与自噬或溶酶体降解。非典型链如K27和K33链（分别通过赖氨酸27和33连接）为免疫、膜运输和应激信号添加了进一步的调节层[6]、[7]。

去泛素化提供了另一种同样动态的调节层。去泛素酶（DUBs）通过完全去除链、部分修剪或改变竞争链类型来水解泛素与底物之间的键或泛素片段之间的键，从而重塑泛素信号。DUBs的特异性由它们的催化结构域、泛素链类型识别、底物结合界面、辅助蛋白和局部信号环境共同决定[8]、[9]。在应激条件下，炎症、缺氧、氧化损伤和基因毒性处理都要求细胞迅速调整蛋白质的丰度和活性。在急性信号后需要消除的因素可能在慢性损伤或治疗选择压力下需要保留。因此，DUBs可以影响短暂刺激是否导致适应、恢复或细胞命运决定，代表了细胞应激反应中的重要调节节点[10]、[11]、[12]。

泛素特异性蛋白酶（USP）家族是最大的DUB家族之一。其成员主要是半胱氨酸蛋白酶，具有多种调控结构和底物识别模式[4]、[13]。相同的USP蛋白可以稳定一个底物，限制另一个信号通路，或在不改变蛋白质丰量的情况下调节酶活性。这些结果取决于不同的底物识别界面、亚细胞定位和调控伙伴[14]。多个USP成员参与肿瘤发生、免疫、代谢和DNA损伤反应，可能维持组织稳态或支持病理适应[15]、[16]、[17]、[18]。由于底物特异性取决于催化裂口外的区域、短暂的蛋白质相互作用和疾病特定的底物依赖性，必须考虑在特定细胞类型和特定应激条件下USP家族成员编辑的是哪种类型的泛素链来解释其功能[19]。

USP38是一个代表性的模型，用于理解去泛素酶的依赖于上下文的功能。累积证据表明，USP38通过消除与降解相关的泛素标记来稳定底物，调节酶活性，或通过去除保护性泛素修饰来许可随后的底物降解[20]、[24]、[25]、[47]、[49]。本综述首先分析了不同的泛素修饰如何决定USP38作用的即时分子结果。然后，我们展示了当将这些分子事件与底物可及性、调控性翻译后修饰、细胞类型和应激阶段结合起来时，如何产生不同的功能输出。在此基础上，我们综合了关于USP38在炎症和纤维化、缺氧和代谢应激、基因组稳定性以及癌症治疗反应中的现有发现，并讨论了这一分层机制框架对未来功能验证和治疗开发的意义。

章节片段

分子结构和活性

典型的人类USP38异构体包含1042个氨基酸，分子量约为116 kDa，具有典型的模块化结构。其N端包含一个USP38特异性的N端结构域，覆盖残基1-424。现有的X射线晶体学研究表明，USP38的N端区域主要采用由多个α-螺旋单元组成的犰狳状折叠。这种结构通常有利于大蛋白质-蛋白质相互作用的形成

USP38在炎症和纤维化应激反应中的作用

炎症反应包括连续的阶段，包括炎症启动、信号放大、炎症消退和组织重塑。USP38可以在这些不同阶段调节多个关键底物[72]。现有研究表明，USP38可以作用于激酶信号平台，以调节先天免疫信号的终止，稳定与炎症相关的转录因子以维持炎症基因表达，并参与染色质重塑

USP38在缺氧、铁死亡和代谢应激中的作用

USP38参与多种应激过程的调节，包括缺氧、铁代谢和脂质代谢。氧气限制会改变氧化还原稳态和能量代谢。铁决定了自由基化学和脂质过氧化。脂质合成和脂肪酸氧化影响膜的氧化敏感性和生物能量状态[79]、[80]。这些过程在氧化应激、能量代谢和细胞命运决定中相互关联。

USP38在基因组稳定性和治疗反应中的作用

在基因毒性治疗期间，能够维持DNA修复能力、保持染色质可塑性和避免过早进入不可逆细胞命运状态的肿瘤细胞更有可能存活，从而发展出治疗抗性[88]。USP38通过调节参与DNA修复的底物、组蛋白乙酰化、转录可塑性和p53介导的细胞命运决定来参与这一过程。因此，在这种背景下，USP38的关键作用不是促进细胞增殖

USP38与癌症

USP38可以保护参与增殖、存活、代谢、染色质可塑性和DNA修复的蛋白质[68]。在食管鳞状细胞癌中，其上游调节因子ADAR可以与USP38相互作用，促进USP38的自去泛素化，并增加其蛋白质稳定性。恢复USP38的表达可以逆转ADAR敲低引起的c-Myc表达减少和增殖抑制，从而促进肿瘤细胞的增殖和生长[28]、[42]。

治疗靶向策略

全长的USP38蛋白具有催化和非催化功能。其非催化功能主要通过催化结构域外的相互作用界面和复合物组装来实现。USP38也可能在不同疾病背景下产生促进或抑制疾病进展的双重效应。然而，选择性抑制仍面临多重挑战，包括催化半胱氨酸周围的相对保守的结构、氧化还原活性的倾向

未来方向

为了验证这一依赖于上下文的框架，应在相同的细胞类型和定义的刺激条件下，同时测量USP38-底物相互作用、USP38的调控性翻译后修饰、底物上的泛素连接类型和受体位点的修饰，涵盖反应的开始、峰值和消退阶段。还需要分别评估底物半衰期、酶活性和下游的功能后果

结论

通过消除特定底物上的泛素标记，USP38将蛋白质稳态、酶活性、染色质调节和细胞应激反应联系起来。USP38的功能结果取决于重塑的泛素信号对给定底物的作用，并由底物结合、调控性翻译后修饰、细胞类型和刺激阶段共同决定。这一分层机制框架为协调USP38的多种效应提供了基础

CRediT作者贡献声明

王志涵： 数据整理、概念化、写作——原始草稿。王文博： 数据整理、概念化、写作——原始草稿。魏琳： 验证、监督。王浩成： 验证、监督、写作——审阅与编辑。杨琳： 验证、监督、写作——审阅与编辑。

未引用的参考文献

[21]、[22]、[23]、[31]、[41]、[48]、[50]、[52]、[53]、[54]、[55]、[75]、[90]

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

王志涵|王文博|魏琳|王浩成|杨琳青岛大学基础医学院，中国山东青岛266071