内质网相关分选将蛋白质稳态与光合作用联系起来

《TRENDS IN Cell Biology》：ER-associated sorting links proteostasis to photosynthesis

　　

摘要

蛋白毒性应激会挑战多个细胞器，但植物如何协调蛋白酶体容量与细胞器功能仍不清楚。Langin 等人揭示，内质网（ER）关联的分选使NAC53/78在这两种状态之间切换：内质网关联降解（ERAD）或核内激活，从而在应激期间将蛋白酶体诱导与光合作用相关基因的下调耦联起来。

正文

蛋白毒性应激很少局限于单一的细胞区室。在植物细胞中，许多蛋白质在细胞质中合成，然后在内质网（ER）、线粒体或叶绿体中折叠和组装，或被转运至这些细胞器。折叠或转运失败会导致缺陷蛋白和停滞的前体蛋白积累，破坏蛋白质稳态。泛素-蛋白酶体系统（UPS）可去除这些蛋白中的许多，是恢复蛋白质稳态的核心机制。由于蛋白酶体容量可能成为限制因素，细胞还需要反馈机制，在蛋白毒性负担升高时增加蛋白酶体的产生。

植物中已经存在一个候选反馈系统。NAM、ATAF1/2和CUC2（NAC）转录因子NAC53和NAC78已知能激活植物蛋白酶体应激调控子并促进对蛋白酶体抑制的耐受性，表明它们在此反应中具有冗余功能。然而，关键问题仍未解决。尚不清楚NAC53/78本身是否受蛋白酶体周转调控，这种调控发生在何处，以及这些转录因子如何整合来自不同区室的应激信号，而非仅仅对直接的蛋白酶体抑制作出响应。

内质网提供了一个有吸引力但尚未解决的调控节点。内质网关联降解（ERAD）是一种保守的质量控制途径，其中不必要的内质网蛋白被泛素化，由与多种细胞活动相关的ATP酶（AAA）细胞分裂周期48（CDC48）/p97/Valosin结合蛋白（VCP）提取，并递送至蛋白酶体。尽管ERAD主要具有降解功能，但它也可以提取并激活锚定在内质网上的调控蛋白。例如，在哺乳动物中，新合成的核红细胞衍生因子2相关因子1（Nrf1）——一种调控蛋白毒性应激适应性反应的转录因子——被靶向至内质网，在此被N-糖基化，通常由ERAD逆行转位至蛋白酶体降解。当蛋白酶体功能受损时，Nrf1逃逸降解，经历脱糖基化和蛋白水解切割，并进入细胞核诱导蛋白酶体亚基基因表达。在植物中，关键问题在于NAC53/78是否存在类似的分支点，以及这些蛋白是否影响蛋白酶体丰度之外的细胞过程，包括叶绿体生物学。由于大多数叶绿体蛋白是核编码的，在细胞质中合成后导入叶绿体，当蛋白导入、折叠或降解受损时，光合投入可能产生蛋白毒性压力。

Langin 等人通过将NAC53/78置于基于内质网的决策点提供了重要见解。他们的第一个洞察来自表型而非机制。nac53和nac78突变体对一般蛋白毒性损害（包括蛋白酶体抑制、内质网应激、CDC48抑制和细菌感染）表现为超敏感，但对扰动半自主细胞器（尤其是叶绿体）的处理则相对耐受。这种分裂之所以重要，是因为它表明NAC53/78并非总是改善适合度的一般应激反应因子。相反，它们将蛋白酶体介导的蛋白分解代谢与细胞代谢（包括光合作用）联系起来。通过增加降解能力和限制光合作用基因表达，NAC53/78可能有助于重新分配资源并减轻靶向叶绿体的蛋白负担。

机制上的突破是鉴定了内质网关联分选（ERAS）（图1）。NAC53/78表现为锚定在内质网上、快速周转的转录因子，其丰度受到蛋白酶体的严格限制。互作组分析、抑制剂实验、共免疫沉淀和体外泛素化实验均指向以ER跨膜E3连接酶HMG-CoA还原酶降解1（HRD1）为核心的ERAD机制和细胞质解折叠酶CDC48。在稳态条件下，该途径将NAC53/78靶向降解。然而，在蛋白毒性应激下，同一模块成为激活的门户：CDC48依赖的提取与蛋白酶体负担相结合，使NAC53/78逃逸完全降解并到达细胞核，在此重新编程转录。因此，在此背景下，内质网质量控制不仅具有降解功能，还充当了处置与信号转导之间的分支点。

图1 内质网关联分选（ERAS）将蛋白酶体诱导与光合作用抑制耦联。

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在非应激细胞中，内质网关联的转录因子NAC53和NAC78被组成型地路由至内质网关联降解（ERAD）。HRD1组成的机器对NAC53/78进行泛素化，CDC48促进其从内质网中提取，蛋白酶体降解它们，从而维持NAC53/78低水平的信号活性。在蛋白毒性应激期间，NAC53/78逃逸完全降解，通过一个称为ERAS的CDC48依赖性过程被重新导向细胞核。在细胞核中，NAC53/78结合PRCE样启动子元件，激活蛋白酶体基因表达并抑制光合作用关联核基因（PhANGs）。这种双重转录输出增加了降解能力并限制了靶向叶绿体的前体蛋白的产生，从而协调蛋白质稳态恢复与降低光合需求。CDC48：细胞分裂周期48；ER：内质网；HRD1：HMG-CoA还原酶降解1；NAC53：NAC结构域蛋白53；NAC78：NAC结构域蛋白78；PRCE：蛋白酶体相关顺式元件。

先前关于叶绿体关联蛋白降解的工作表明，受损的叶绿体蛋白可由泛素依赖的质量控制途径处理，轻度蛋白酶体应激也与叶绿体性能改变相关。所缺少的是一种整合蛋白酶体反馈、内质网关联质量控制和光合作用基因调控的机制。Langin 等人通过提出蛋白酶体自调控环作为细胞器间通讯装置提供了这一联系。在这一观点下，NAC53/78不仅仅是恢复UPS能力的"反弹"因子。相反，它们是守门人，将区室特异性蛋白毒性转化为关于资源分配的核内决策。

下游输出尤为重要。核糖核酸测序（RNA-seq）与蛋白酶体突变体数据集和抑制剂数据集的比较共同定义了一个核心蛋白毒性应激网络，其中蛋白酶体基因被诱导，而大量光合作用关联核基因（PhANGs）被抑制。这并非被呈现为细胞功能障碍的弥散性后果。NAC53/78结合一个存在于蛋白酶体启动子和许多PhANG启动子中的共享蛋白酶体相关顺式元件（PRCE）样基序，启动子测定表明同一转录因子可以激活一种程序并抑制另一种程序。生理指标进一步证实了这一结论。在细菌或化学蛋白毒性应激期间，NAC53/78降低了光系统II（光合作用机器的组成部分）的效率，以及叶绿素含量和光合作用蛋白丰度。因此，蛋白酶体反馈环作为一种权衡机制浮现出来：它扩展降解能力的同时，减少光合前体蛋白的产生，因为这些前体蛋白的合成和导入可能加剧蛋白毒性应激。

该模型扩展了叶绿体逆行信号传导，提出叶绿体应激可以通过对共享蛋白质量控制机制施加蛋白毒性负担到达细胞核。当蛋白毒性负荷升高时，持续投入PhANG表达既可能代谢代价高昂又可能具有危险性，因为许多叶绿体前体蛋白在导入前需经过细胞质，可能加剧细胞质蛋白毒性应激。抑制该通量并增强蛋白酶体产生构成了协调蛋白分解代谢与光合作用代谢的一种优雅方式。同时，该研究突出了重要空白。NAC53/78在内质网膜上的拓扑结构仍未解决。可能产生转录活性片段的蛋白酶（哺乳动物中为DNA损伤诱导1同源物2（DDI2））的身份也不清楚，尽管C端片段在内质网上的保留暗示加工可能先于核内进入。可能还有其他E3连接酶参与，且CDC48抑制并不能完全消除核定位，留下了辅助提取途径的可能性。

未来的工作还应阐明NAC53/78功能背后的启动子逻辑。这些转录因子使用相同的PRCE样元件来激活蛋白酶体基因并抑制PhANGs，这意味着启动子背景、伙伴蛋白、染色质状态或应激依赖的翻译后修饰可能决定调控方向。更广泛地说，重要的是检验ERAS的延伸范围：线粒体或其他细胞器应激是否汇入同一分选节点，其他界中的ER锚定蛋白酶体激活因子是否也将蛋白质量控制与核心代谢程序耦联？

尽管存在这些悬而未决的问题，概念上的进展是巨大的。通过将NAC53/78置于基于内质网的路由选择之下，并将光合作用基因抑制作为蛋白酶体反馈的组成部分，Langin 等人将蛋白质稳态控制从家务管理提升到了细胞决策层面。更广泛的含义很明确：当蛋白酶体感知超载时，它不仅仅召唤更多蛋白酶体；它重新协商细胞能够负担得起构建什么。