《Protein Science》：Functions of J-domain proteins in mitochondrial protein biogenesis
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这篇综述系统阐述了J-结构域蛋白（JDPs）作为Hsp70辅伴侣，在酵母和哺乳动物中线粒体蛋白质生物发生全过程中的核心作用。文章聚焦于J-结构域蛋白如何从前体蛋白质的合成、靶向、导入，到线粒体内的折叠、组装及质量控制等环节，发挥关键调节功能，并探讨了相关蛋白质的突变与人类线粒体疾病的关联。
J-结构域蛋白：线粒体蛋白质生命周期的全能“向导”
1 引言
线粒体作为细胞的“能量工厂”，其正常功能依赖于超过1000种（在酵母中）乃至1500种（在人类细胞中）蛋白质的精准导入与组装。这些蛋白质绝大多数在细胞质核糖体上合成为前体，然后被运输至线粒体。线粒体蛋白质前体在细胞质中的短暂存在对细胞的蛋白质稳态（proteostasis）构成重大负担，它们可能聚集或错误定位，导致蛋白质毒性应激。从细胞质到线粒体内部的旅程充满挑战，而分子伴侣系统，特别是Hsp70及其辅伴侣——J-结构域蛋白，在其中扮演了不可或缺的“护航者”与“协调者”角色。本文旨在总结J-结构域蛋白如何引导线粒体前体蛋白质，从其细胞质合成开始，直至在线粒体内折叠成熟并组装成蛋白质复合物的全过程。
2 细胞J-结构域蛋白的结构与功能
J-结构域蛋白是真核细胞中最大、最多样化的分子伴侣类别。它们通过其标志性的J-结构域与Hsp70相互作用，并刺激Hsp70的ATP酶活性，从而促进Hsp70与客户蛋白（client proteins）的结合。Hsp70在ATP和ADP结合状态之间的循环，使其能够交替捕获和释放底物蛋白质，而J-结构域蛋白在此反应循环中负责招募Hsp70并激发其活性。
根据结构域组成，J-结构域蛋白可分为三类：A类、B类（包括经典B类和非经典B′类）和C类。它们在进化过程中数量和结构多样性显著增加。在酵母中，存在21种J-结构域蛋白和11种Hsp70；而在人类细胞中，则有50种J-结构域蛋白和11种Hsp70。这些蛋白质分布于细胞质、细胞核、内质网和线粒体等多个区室，其中许多细胞质J-结构域蛋白也参与线粒体蛋白质的生物发生。
3 J-结构域蛋白在线粒体蛋白质靶向中的功能
3.1 蛋白质靶向与导入线粒体的途径
线粒体前体蛋白质向线粒体外膜转位酶（TOM复合物）受体的运输可通过共翻译、后翻译以及内质网表面转运（ER-SURF）等不同机制进行。其中，后翻译导入是绝大多数前体蛋白质采用的方式，而J-结构域蛋白在后翻译导入和ER-SURF途径中均发挥核心作用。
3.2 J-结构域蛋白在前体蛋白质靶向线粒体表面的功能
将前体蛋白质运输至线粒体表面面临诸多挑战：需保持其未折叠状态以防止提前折叠或错误折叠；许多前体蛋白易于聚集或错误定位；前体蛋白质本身具有多样的生物物理化学特性。分子伴侣Hsp70和Hsp90结合多种线粒体前体蛋白，维持其可导入状态，并将其引导至TOM复合物的受体（Tom20和Tom70）。J-结构域蛋白作为Hsp70的辅伴侣，在此过程的每一步都至关重要。
在酵母中，核糖体相关复合物（RAC，由J-结构域蛋白Zuo1及其伴侣蛋白Ssz1组成）与Hsp70（Ssb1/Ssb2）合作，参与新生肽链在核糖体出口隧道处的早期折叠。细胞质中高丰度的J-结构域蛋白Ydj1和Sis1与多种线粒体前体蛋白（包括带有前导肽的蛋白质、内膜蛋白、膜间隙蛋白、β-桶状外膜蛋白等）结合，并可将前体蛋白靶向至Tom20和Tom70受体。研究表明，同时敲低Ydj1和Sis1会损害β-桶状蛋白的导入。
另外两种J-结构域蛋白Djp1和Xdj1功能更为特化。Djp1是ER-SURF途径的关键因子，负责将疏水性前体蛋白（如Oxa1）从内质网表面转移至线粒体。Xdj1则通过与Tom22受体及其疏水底物的结合，在前体蛋白向TOM复合物的传递中发挥作用。
3.3 J-结构域蛋白在哺乳动物线粒体蛋白质靶向中的功能
在哺乳动物细胞中，细胞质J-结构域蛋白DNAJA1、DNAJA2和DNAJA4等被证明与载体蛋白等疏水性前体蛋白结合，并对其导入线粒体至关重要。此外，DNAJC24也被发现能促进模型外膜蛋白的线粒体定位。不过，其与TOM受体相互作用的分子机制仍有待阐明。
4 J-结构域蛋白在线粒体导入应激中的功能
4.1 J-结构域蛋白在前体蛋白质沉积物隔离中的作用
当蛋白质导入失败时（如前体蛋白错误折叠、导入装置缺陷或线粒体膜电位耗散），未导入的前体蛋白会在线粒体外积累，错误定位至细胞质、细胞核、内质网等区室，或形成蛋白质沉积物（如MitoStores），引起蛋白质毒性应激。
在酵母中，J-结构域蛋白Sis1是MitoStores的组成成分，可能参与调节前体蛋白的聚集/解聚。另一个J-结构域蛋白Apj1则在细胞核内结合含有线粒体前体蛋白（如线粒体核糖体亚基）的聚集体，并与Ssa1合作介导其解聚和降解。值得注意的是，Apj1还能与热休克转录因子Hsf1结合，从而将蛋白质质量控制与热休克反应的调节联系起来。
在哺乳动物细胞中，当线粒体蛋白质错误折叠时，会诱导线粒体未折叠蛋白反应（mitoUPR）。细胞质J-结构域蛋白DNAJA1在此应激反应中扮演核心角色。线粒体功能障碍产生的活性氧（ROS）可氧化DNAJA1锌指样结构域中的半胱氨酸，使其对Hsp70的亲和力增强，从而将Hsp70重新导向积累的线粒体前体蛋白。这反过来会释放HSF1，使其进入细胞核，诱导包括分子伴侣和蛋白酶在内的mitoUPR相关基因的表达。
5 J-结构域蛋白促进线粒体蛋白质的导入与组装
前导肽转位酶（TIM23复合物）与线粒体Hsp70（mtHsp70）及其辅伴侣组成的导入马达（PAM模块）协作，驱动前体蛋白跨线粒体内膜转运至基质。锚定在内膜上的J-结构域蛋白Pam18（在酵母中，哺乳动物中为DNAJC15和DNAJC19）是PAM模块的关键组分，它刺激mtHsp70的ATP酶活性，从而加速蛋白质导入。Pam18与含有J样结构域但不具备刺激活性的Pam16（哺乳动物中为MAGMAS）形成异源二聚体，后者对Pam18的功能起调节作用，并影响其在线粒体中的定位。
有趣的是，Pam18和Pam16不仅存在于TIM23复合物上，还能与呼吸链超复合物（如III和IV复合物）结合。Pam16控制着Pam18在TIM23复合物和呼吸链复合物之间的分配。当Pam18在呼吸链上积累时，可促进细胞色素c氧化酶亚基Cox4的组装，这表明Pam18与mtHsp70的相互作用在呼吸链复合物的组装中发挥重要作用。在哺乳动物中，DNAJC15、DNAJC19和DNAJC30等J-结构域蛋白也被发现与呼吸链亚基或组装因子相互作用，并影响线粒体嵴结构和呼吸功能。
6 基质定位的J-结构域蛋白具有多种功能
mtHsp70在线粒体基质中除参与蛋白质导入外，还形成一个独立的池，负责折叠已导入的蛋白质。与此功能池相关的J-结构域蛋白是Mdj1（在哺乳动物中为DNAJA3）。Mdj1不参与蛋白质导入，但能刺激mtHsp70，促进基质内蛋白质的折叠，并协助清除错误折叠的蛋白质。此外，Mdj1和DNAJA3还与线粒体核仁（nucleoids）结合，参与线粒体DNA的维持。基质中还有其他J-结构域蛋白，如参与铁硫簇蛋白生物发生的Jac1（哺乳动物中为HSC20），其功能是特化的。
7 J-结构域蛋白与线粒体相关病理
编码线粒体J-结构域蛋白的基因突变可导致人类线粒体疾病。DNAJC19的突变可引起伴有共济失调的扩张型心肌病（DCMA）和3-甲基戊烯二酸尿症。DNAJC30的双等位基因致病性变异则是隐性莱伯氏遗传性视神经病变（LHON）或Leigh综合征样表现的病因，该蛋白与复合物I的维护和修复有关。DNAJA3（Tid1）则与癌症和神经退行性疾病相关联，其不同剪接亚型在细胞凋亡中发挥相反作用，并能作为肿瘤抑制因子发挥作用。
8 结论
J-结构域蛋白在线粒体蛋白质生物发生的每一步都发挥着关键而多样的作用。它们与Hsp70伴侣协同，从前体蛋白的合成开始，护送其靶向线粒体，驱动其导入基质，并调控其折叠与组装成功能性复合物。同时，它们也参与应对因导入失败而产生的蛋白质毒性应激，并与人类疾病密切相关。对J-结构域蛋白家族功能的深入研究，将为了解线粒体蛋白质稳态的基本过程提供关键见解。
