热休克蛋白90（Hsp90）分子伴侣对代谢蛋白质组的协调调控控制代谢可塑性

《iScience》：Coordinated regulation of the metaboproteome by Hsp90 chaperones controls metabolic plasticity

　　

热休克蛋白90（Hsp90）分子伴侣通过稳定并激活数百种蛋白而作为信号枢纽发挥作用。已有研究描述过线粒体亚群Hsp90，但其代谢作用知之甚少。研究人员表明，单个Hsp90亚型丢失会差异性地影响耗氧与代谢灵活性。蛋白质组学与代谢组学评估证明，Hsp90调控线粒体代谢网络，包括呼吸、脂肪酸氧化（FAO）与氧化还原稳态。线粒体分子伴侣肿瘤坏死因子受体相关蛋白1（TRAP1）丢失可诱导Hsp90α与Hsp90β对TRAP1依赖蛋白的补偿性结合，提示Hsp90分子伴侣参与代谢重编程的机制。结合既往发现，可看出Hsp90在时间上调控线粒体蛋白复合体的转录、翻译、导入与组装。该研究发现拓展了Hsp90调控过程的范围，并可能为癌症及其他疾病中型特异性Hsp90抑制剂对代谢重编程的影响提供依据。

研究背景方面，代谢受酶活性、丰度与定位调控，而酶功能依赖正确折叠、成熟与周转；代谢稳态不仅依赖基因表达和变构调节，也依赖代谢蛋白质组的蛋白稳态。分子伴侣如何控制代谢蛋白功能仍不明确。Hsp90家族包括组成型Hsp90β、应激诱导Hsp90α、内质网型葡萄糖调节蛋白94（Grp94）和线粒体型TRAP1，可经ATP水解稳定并激活客户蛋白（client）。Hsp90α与Hsp90β见于胞质并可把线粒体前体蛋白运至外线粒体膜转位酶（TOM）复合体；TRAP1调控电子传递链（ETC）复合体II与III，但三者在线粒体代谢中的互作未被系统研究。因此，研究人员在人中细胞模型里系统研究单个Hsp90分子伴侣敲除对细胞代谢网络的影响。

该论文发表在《iScience》。研究人员采用HEK293细胞中的Hsp90α敲除（KO）、Hsp90β KO与TRAP1 KO模型，结合药物抑制线粒体Hsp90的gamitrinib-TPP（G-TPP），通过线粒体分离、亚细胞分级、免疫印迹、免疫沉淀质谱、非靶向与同位素示踪代谢组学、蓝native PAGE、Seahorse代谢流与燃料灵活性检测、PCR阵列及AlphaFold结构预测等技术，分析形态、呼吸、代谢物、蛋白互作与代偿结合。

Hsp90s control mitochondrial structure and function：研究人员通过MitoTracker、电镜、TMRM、蓝native PAGE、呼吸靶向PCR阵列、亚细胞分级免疫印迹发现，Hsp90α KO线粒体数量与嵴评分增加、膜电位下降、ETC复合体组装受损更明显；Hsp90β KO近似野生型（WT）。转录上部分ETC亚基mRNA改变，HSF1诱导而非普遍转录因子激活；线粒体TIM23与部分ETC亚基导入增加，提示代偿蛋白稳态反应。

Loss of Hsp90α or Hsp90β differentially impacts mitochondrial metabolism：研究人员用Seahorse与燃料灵活性检测发现，高葡萄糖下Hsp90α KO耗氧率（OCR）降低且ATP偶联呼吸受损，Hsp90β KO复合体I/II活性升高且在低葡萄糖下OCR显著升高；Hsp90β KO偏好葡萄糖氧化、代谢灵活性差，Hsp90α更支持呼吸，Hsp90β调控代谢适应性。细胞增殖上两KO系S期积累、增殖下降，表型不依赖增殖。

Hsp90 isoforms regulate diverse aspects of the cellular metabolic network：代谢组学显示戊糖磷酸途径（PPP）与Ala/Asp/Glu代谢最显著紊乱，丙酮酸下降而部分三羧酸（TCA）循环代谢物升高。NAD⁺下降、NAD⁺/NADH比降低；线粒体NAD⁺结合蛋白如HADHA、ALDH1A1表达与生物素-NAD⁺结合改变，LDHA不受影响，说明线粒体特异性氧化还原与NAD⁺结合蛋白功能紊乱。

The mitochondrial metaboproteome is controlled by Hsp90：研究人员从线粒体免疫沉淀Hsp90α/Hsp90β，鉴定500余 intramitochondrial蛋白；互作蛋白富集于呼吸、氨基酸与脂肪酸代谢。Hsp90β单独结合NDUFA7等ETC亚基、COQ7；Hsp90α特异结合HADHB与ALDH家族。SIRT3/5为Hsp90β特异互作者，关联NAD⁺稳态与FAO调控。

Overlapping Hsp90 interactions promote mitoproteostasis：在TRAP1 KO中，Hsp90α与Hsp90β对多数线粒体蛋白结合上调，研究人员提出分子伴侣补偿分数；Hsp90α补偿广度更大（78%互作上调），获得氨基酸代谢、烟酸/烟酰胺代谢、氧化磷酸化与线粒体核糖体新互作；Hsp90β偏好脂肪酸生物合成与烟酸/烟酰胺代谢。反向实验中TRAP1也可获得Hsp90互作者，但Hsp90对TRAP1的代偿能力更强。

Chaperone compensation supports metabolic flux：用G-TPP处理WT与TRAP1 KO后，代谢组PCA显示抑制剂处理组聚为一类，说明线粒体Hsp90网络被扰动；TRAP1丢失降低NAD⁺，G-TPP加剧；PPP、氨基酸代谢、嘧啶代谢受影响。G-TPP在TRAP1 KO中对SDHA、FH有部分回救，表明不同分子伴侣代偿动态叠加于代谢流调控。

讨论部分总结：研究人员指出Hsp90通过胞质与线粒体功能调控核苷酸、氨基酸、脂肪酸代谢；Hsp90/TRAP1丢失破坏NAD⁺/NADH比、苹果酸-天冬氨酸穿梭（MAS）与氧化还原稳态。补偿性结合提示Hsp90与TRAP1可能存在有序成熟、功能冗余或应激时扩展线粒体Hsp90网络三种情形。翻译后修饰如酪氨酸硝化可促进Hsp90线粒易位并负向影响呼吸，亚硝基化调控TRAP1呈相反效应。研究局限包括组成型KO适应、未用蛋白酶处理外线粒体蛋白、仅HEK293模型、缺乏线粒体趋向的亚型特异小分子抑制剂。

结论部分翻译：Hsp90分子伴侣通过其控制蛋白折叠、成熟与激活的能力在生物学过程中发挥重要作用。为充分理解Hsp90分子伴侣功能如何影响代谢，研究人员整合高分辨率蛋白质组、代谢组与转录水平数据及功能实验，证明三种Hsp90分子伴侣在控制代谢物流与代谢灵活性方面既有特异又有重叠作用；并定量鉴定了响应单个Hsp90分子伴侣丢失或线粒体Hsp90池抑制的伴侣-蛋白互作集合与代谢物特征。该发现将Hsp90定义为通过“代谢蛋白质组（metaboproteome）”控制代谢可塑性的协调者，对癌症中型特异性Hsp90抑制剂引发代谢重编程的理解具有意义。