综述：蛋白质病中刺激蛋白酶体降解

《The FEBS Journal》：Stimulating proteasomal degradation in human proteinopathies

　　

泛素-蛋白酶体系统（Ubiquitin-Proteasome System, UPS）由数百种蛋白质组成，它们协调泛素依赖性蛋白酶体降解，并代表了调节细胞内蛋白质周转的强大治疗靶点。由于其在防止错误折叠和功能失调蛋白积累中的核心作用，增强或抑制UPS活性在多种疾病中具有临床潜力。尽管肿瘤学通过开发蛋白酶体抑制剂治疗血液系统恶性肿瘤成功利用了这一弱点，但生成临床相关的UPS激活剂的努力进展较慢。弥合这一治疗空白可能对神经退行性疾病和其他蛋白质病（proteinopathies）特别有益，在这些疾病中，加速清除错误折叠和易聚集蛋白可能有助于对抗其渐进性积累，并延迟或预防症状发作。本综述中，研究人员总结了迄今为止在通过遗传或小分子干预增强UPS（泛素-蛋白酶体系统）功能策略方面取得的进展。

**Introduction**
神经退行性疾病（如阿尔茨海默病、帕金森病、亨廷顿病及脊髓小脑性共济失调）的共同特征是进行性神经元丢失和蛋白聚集体的积累，这些疾病与年龄相关的蛋白质稳态丧失密切相关。泛素-蛋白酶体系统（Ubiquitin-Proteasome System, UPS）和自噬是清除错误折叠蛋白的主要途径。由于神经元等终末分化细胞无法通过分裂稀释蛋白聚集体，它们高度依赖降解系统的长期效率。增强UPS清除有毒蛋白的能力可能具有治疗潜力。

**Protein quality control by the ubiquitin-proteasome system (UPS)**
UPS通过E1（泛素激活酶）、E2（泛素结合酶）和E3（泛素连接酶）的级联反应将泛素（ubiquitin）共价连接到底物上，形成泛素链。去泛素化酶（Deubiquitinating Enzymes, DUBs）通过修剪或移除泛素链提供额外调控。K⁴⁸链接的泛素链是主要的蛋白酶体降解信号，而K⁶³链接主要参与自噬和非蛋白水解过程。此外，泛素化还参与蛋白聚集体隔离和自噬靶向。

**The proteasome: A tightly regulated processive protease**
20S核心颗粒由四个七聚体环（两个外α环和两个内β环）组成，其中β₁（PSMB6）、β₂（PSMB7）和β₅（PSMB5）分别具有半胱天冬酶样、胰蛋白酶样和胰凝乳蛋白酶样活性。19S调节颗粒负责识别、去折叠和转运泛素化底物，其碱基（base）包含六个AAA-ATP酶（PSMC1-6），通过HbYX基序诱导α环门控开放。11S调节颗粒（PA28αβ和PA28γ）和PA200（PSME4）提供ATP非依赖性降解途径，偏好内在无序、氧化或未折叠蛋白。辅助因子如p97/VCP（valosin-containing protein, VCP）和穿梭因子（hRad23、ubiquilins）协助底物提取和递送。

**Boosting proteasome levels**
过表达PSMB5/β₅可增加组装的20S蛋白酶体数量，提升所有三种催化活性，增强对氧化应激的抵抗并延长线虫和果蝇的寿命。过表达装配伴侣POMP同样增加蛋白酶体水平。转录因子NRF1（NFE2L1）响应蛋白酶体抑制而上调大部分20S和19S亚基以及POMP和p97/VCP的表达，其激活剂ASC-JM17和RUN-47能降低聚集倾向蛋白（如突变雄激素受体、α-突触核蛋白和突变亨廷顿蛋白）的水平。

**Opening the gate**
删除PSMA4/α₃的N端可造成α环永久性开放，加速小荧光底物和部分泛素化底物的降解，但会降低繁殖产出。受19S HbYX基序启发，人工肽（如HbYX样二肽、Rpt5衍生肽、PA200衍生肽）和环肽可诱导门控开放，促进tau和α-突触核蛋白的降解。小分子氯丙嗪、TCH-165、氟哌利多、利血平衍生物等通过结合α亚基间口袋开放门控，加速α-突触核蛋白和tau降解。其他门控开放剂包括AM-404、MK-866、DBTO和橄榄苦苷。

**Assembling the 19S regulator**
过表达PSMD11/Rpn6可稳定19S与20S的相互作用，在秀丽隐杆线虫和哺乳动物神经元中提升蛋白酶体活性并促进聚集体清除。消耗装配因子PSMD5/S5b加速26S蛋白酶体装配，增强降解并延长果蝇寿命，减少tau聚集。应激诱导的ZFAND家族成员（ZFAND2A/AIRAP和ZFAND5）结合19S，扩大底物进入通道并延长底物停留时间，从而增强降解效率。

**Posttranslational modifications of the proteasome**
cAMP-PKA信号通路通过磷酸化PSMD11/Rpn6的丝氨酸14增强所有催化活性，增加双帽蛋白酶体数量，加速tau和α-突触核蛋白降解。在tauopathy小鼠模型中，升高cAMP-PKA信号减轻了蛋白酶体功能缺陷并减少tau积累。cGMP-PKG通路（通过他达拉非或西地那非激活）也增强蛋白酶体活性，降低突变CryAB、tau和亨廷顿蛋白水平。p38 MAPK抑制剂通过未知机制增强泛素依赖性降解，优先加速短寿命和聚集倾向蛋白的清除。IGF-1通过PI3K和mTOR信号增强氧化损伤蛋白的降解，而mTOR抑制剂在稳态下则迅速刺激泛素依赖性降解。

**Targeting the DUBs of the 19S regulator**
USP14的UBL结构域过表达可增强降解；USP14抑制剂IU1及其衍生物IU1-47刺激所有催化活性，促进tau、氧化损伤蛋白和异常新生蛋白的清除，并诱导自噬和帕金森非依赖性线粒体自噬。UCHL5耗竭降低UPS报告底物和ataxin-3水平。PSMD14/Rpn11的过表达在果蝇中恢复年龄相关的催化活性下降并延长寿命。

**Mobilizing other 20S cap regulators**
过表达PSME1/PA28α和PSME2/PA28β可增强与20S的结合，加速荧光底物和突变αB-晶状体蛋白的清除，在视网膜变性模型中改善感光细胞功能。PSME3/PA28γ的过表达在亨廷顿病小鼠模型中减少泛素阳性聚集体并改善运动协调。冷暴露诱导秀丽隐杆线虫的PSME3/PA28γ上调，增强胰蛋白酶样活性并选择性清除聚集倾向底物。PSME4/PA200过表达改变蛋白水解谱，增加半胱天冬酶样活性。其他小分子如莱菔硫烷诱导催化亚基表达，桦木酸选择性增强胰凝乳蛋白酶样活性，氯胺酮在给药后数小时内激活蛋白酶体。

**Stimulation beyond the proteasome: Extraction and ubiquitin shuttling factors**
p97/VCP的ATP酶活性可被SMER28、UP109和VAA1等小分子激活，促进突变亨廷顿蛋白和α-突触核蛋白的清除，并在ALS小鼠模型中延长寿命。Rad23（hRad23A/B）的耗竭可增强突变SOD1、TDP-43和ataxin-3的降解，改善线虫和小鼠的病理表现。

**Stimulation beyond the proteasome: Modulating substrate accessibility**
p97/VCP与Hsp70合作促进tau聚集体的解聚和后续降解，但可能同时产生具有播种能力的tau片段。RHBDL4蛋白酶通过切割内质网腔中的错误折叠蛋白促进p97/VCP依赖的提取和降解。抑制翻译因子eIF5A可减少聚集倾向蛋白在线粒体的错误定位，促进其蛋白酶体降解。

**Targeted protein degradation**
PROTACs和分子胶通过招募E3连接酶（如CRBN和VHL）诱导底物泛素化，生成K⁴⁸或K²⁹/K⁴⁸分支链，促进特异性降解。Midnolin的UBL结构域可直接将底物递送至蛋白酶体，实现泛素非依赖性降解（如MbTACs）。基于PSMD2/Rpn1或USP14配体的双功能分子也能直接靶向底物至蛋白酶体。

**Concluding remarks and outlook**
尽管蛋白酶体抑制剂在肿瘤学中成功应用，但激活剂尚未进入临床。挑战包括：小分子激活酶的难度、需慢性早期干预、已存在聚集体难以降解。持续激活26S蛋白酶体可能干扰p53和NF-κB等调控途径，但体内研究表明，改善聚集倾向蛋白清除的益处可能超过风险。蛋白酶体激活还可能影响自噬，例如门控开放剂会阻碍自噬体-溶酶体融合。在生理条件下仅需20%蛋白酶体容量即可维持稳态，提示同时提高泛素可利用性与蛋白酶体活性可能更具优势。总体而言，通过遗传或小分子手段增强蛋白酶体降解的多种策略在神经退行性疾病模型中显示出治疗潜力。