摘要
高尔基膜相关降解途径（GOMED）是一种蛋白质降解途径，主要针对经过高尔基反面囊泡运输的蛋白质，可在正常情况下或因高尔基体中运输的蛋白质出现异常时发挥作用。尽管GOMED在形态上与巨自噬/自噬相似，但其底物识别机制至今仍不明确。在本研究中，我们发现OPTN（视神经蛋白）是GOMED中实现选择性底物识别的关键受体蛋白。研究表明，OPTN能够识别那些已经通过高尔基体并被多聚泛素化K33位点的蛋白质，并将其送至GOMED结构中进行降解。在体内，依赖OPTN的GOMED机制对于红细胞成熟过程中的线粒体清除至关重要，而缺乏Optn基因的小鼠其红细胞中会保留线粒体。综上，我们的研究明确了GOMED中选择性底物识别的分子基础。
迄今为止，已发现多种细胞内蛋白质降解途径，包括蛋白酶体途径、自噬以及高尔基膜相关降解途径（GOMED，也被称为替代性自噬或RAB9依赖性自噬）。这些途径通过不同的底物特异性和分子机制来维持细胞的蛋白质稳态。
自噬是一种重要的降解途径，通过清除不必要的或有害的细胞内成分，如受损的细胞器和异常蛋白质，从而维持细胞稳态。虽然最初认为自噬是一种非选择性的降解过程，但现在普遍认为选择性自噬是通过泛素依赖性的底物识别来实现的。在这一过程中，被泛素化的底物会被各种受体蛋白识别，包括SQSTM1/p62、CALCOCO2/NDP52、TAX1BP1、NBR1以及OPTN，这些受体蛋白会促使这些底物被隔离并送至吞噬体中降解。
相比之下，GOMED是一种主要针对经过高尔基体运输的蛋白质的细胞内降解途径，比如分泌蛋白和质膜蛋白，因此其降解的底物与自噬的底物有很大差异。尽管在形态上，GOMED与自噬类似，都是将底物隔离在双膜结构中，随后与溶酶体融合进行降解，但两者在分子层面存在本质区别。自噬的膜主要来源于内质网，需要ATG12–ATG5和LC3结合系统，而GOMED的膜则来源于高尔基反面囊泡，不依赖ATG5和LC3，而是依靠WDR45/WIPI4、WDR45B/WIPI3以及RAB9等因子。此外，GOMED在某些生理过程中发挥作用，而这些过程中传统自噬并非必需，比如高尔基体转运蛋白的降解以及红细胞成熟过程中的线粒体清除。GOMED是一种在机制上独立于自噬的降解途径，目前尚不清楚GOMED是如何识别底物并实现选择性降解的。尤其不确定的是，GOMED中是否存在类似于选择性自噬中的泛素依赖性底物识别机制。
在本研究 [参考文献1] 中，我们证明了GOMED也是一种选择性降解途径，并确定OPTN是负责底物识别的关键受体蛋白。失去OPTN会显著抑制由各种刺激引发的GOMED反应，而在这些细胞中重新表达OPTN则能选择性恢复GOMED功能，但不会影响自噬。与它在GOMED中的作用一致，OPTN会定位于高尔基反面囊泡膜上，在GOMED被激活后会与溶酶体相关的GOMED结构结合。综上，我们的研究证实OPTN是一种特定于GOMED的受体分子。
本研究的一个重要发现是，GOMED中所起作用的泛素链与其他已知降解途径所使用的泛素链不同。K48连接的多聚泛素是蛋白酶体降解的典型信号，而K63连接或线性泛素链则参与选择性自噬。相反，我们在此发现K33连接的多聚泛素是GOMED中的主要降解信号。典型的GOMED底物会被K33连接的多聚泛素链修饰，在GOMED被抑制时会积累起来，而且会富集在含有OPTN的复合物中。此外，去除专门负责降解K29和K33连接泛素链的脱泛素酶ZRANB1/Trabid，会增强GOMED的活性并促进底物降解。这些结果有力地支持了这样一种模型：即K33连接的多聚泛素在GOMED中起着“自我降解信号”的作用。
OPTN通过其锌指结构域识别被泛素化的GOMED底物。尽管OPTN包含多个泛素结合区域，但删除实验表明，正是锌指结构域——而非传统的泛素结合结构域——对泛素结合及GOMED的激活起着关键作用。这种结构域特异性与OPTN在其他细胞过程中的作用有所不同，比如自噬和NFKB/NF-κB信号传导，这表明OPTN是一种多功能受体，其活性取决于泛素链的类型以及参与作用的结构域。
OPTN – K33连接多聚泛素降解途径不仅在培养细胞中起作用，在体内也同样存在。在红细胞最终分化阶段，GOMED负责线粒体的清除，这一过程不依赖于ATG5，而是依赖ULK1。我们的研究表明，OPTN缺陷会妨碍红细胞中线粒体的清除，从而导致线粒体残留以及红细胞形态异常。这些表型与已建立的GOMED缺陷小鼠模型中的观察结果十分相似，进一步证明依赖OPTN的底物识别对于生理状态下GOMED功能的发挥至关重要。
总体而言，本研究的结果揭示了一种此前未被认识到的泛素依赖性蛋白质降解机制。除了由K48连接多聚泛素介导的蛋白酶体降解以及由K63连接或线性泛素链介导的自噬降解之外，我们提出了由K33连接多聚泛素介导的GOMED作为第三种泛素依赖性降解途径。我们的研究阐明了GOMED中选择性底物识别的机制，同时也发现了OPTN以及非典型泛素链的新生物学功能（）。由于OPTN突变与肌萎缩侧索硬化症等神经退行性疾病有关，因此GOMED功能的紊乱可能也会导致这类疾病的发病。更广泛地说，本研究强调了源自高尔基体的、具有区域特异性的蛋白质稳态机制的重要性，同时也提示可能存在其他控制细胞内蛋白质降解的泛素编码方式。
图1. 高尔基膜相关降解途径（GOMED）中通过OPTN（视神经蛋白）实现选择性底物识别的模型。在高尔基体受到损伤时，经过高尔基反面囊泡的蛋白质会被K33连接的多聚泛素链修饰，随后通过OPTN的锌指结构域被选择性识别。OPTN会在高尔基体处捕获这些底物，并促使它们被整合到由高尔基体产生的GOMED结构中。在红细胞中，同样的OPTN依赖性机制会通过溶酶体降解来实现红细胞最终分化阶段的线粒体清除。
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