Actin重構調控應激條件下的蛋白酶體穩態

撰文 | 春曉

細胞需要正確的蛋白質在正確的和時間正確的位置或合成、或摺疊、或修飾、或降解，彼此相親相愛地維持着內穩態的平衡。穩態平衡受到破壞會導致蛋白質的錯誤摺疊以及毒性物質的聚集。對這類錯誤摺疊或者受損的蛋白質，有兩種機制可以將它們降解掉：自噬-溶酶體系統和泛素-蛋白酶體系統（UPS）。在UPS中，蛋白質被泛素結合物標記，作爲蛋白酶體降解的識別信號。蛋白酶體是一種大型多蛋白複合物，由一個“核心顆粒”（CP）和一兩個“調節顆粒”（RPs）組成，CP蛋白水解活性，RP識別泛素化蛋白質並督促其移位到CP中降解。

哺乳動物中的mTORC1（酵母中爲TORC1）具有促進白質、核苷酸和脂質等的合成代謝作用。當細胞應激時，TORC1失活，蛋白質降解增加【1】，這其中的自噬機制已被闡明，然而，蛋白酶體相關機制還不清楚。芽殖酵母中的TORC1失活導致選擇性翻譯蛋白酶體RP組裝伴侶RPACs（19S regulatory-particle assembly chaperones，19S調節性顆粒組裝伴侶），可是，這種選擇性翻譯的機制是什麼呢？

2022年6月23日，英國鄧迪大學的Adrien Rousseau研究小組在Nature Cell Biology雜誌上發表題爲Actin remodelling controls proteasome homeostasis upon stress的研究論文，在這篇研究論文中，作者證明了Actin重構對於調節編碼應激誘導蛋白如RPACs的mRNA的定位和選擇性翻譯至關重要。

芽殖酵母中的TORC1失活導致MAP激酶Mpk1（哺乳動物中爲ERK5）的激活。活化的Mpk1對於誘導蛋白酶體RP組裝伴侶RPACs的翻譯非常重要，爲了更好地理解選擇性RPAC翻譯的機制，作者建立了FGH17報告系統，FGH17報告基因在RPAC Adc17調控元件的控制下編碼2個N端Flag，1個綠色熒光蛋白GFP和1個C端HA標籤，能夠很好的反映內源性ADC17基因的調節。在雷帕黴素（TORC1抑制劑）治療後，細胞中FGH17的基礎水平顯著增加，內源性RPAC Nas6也如此。

爲了發現新的RPAC翻譯調節因子，作者利用定量蛋白質組學在體內鑑定了RNA結合蛋白（圖1），定量分析表明兩種蛋白質Ede1和Cup1在WT中富集，找到了選擇性RPAC翻譯的潛在調節因子。作者進而在潛在調節因子中確定了Ede1對TORC1抑制後的RPAC誘導很重要。於是作者假設：Ede1在雷帕黴素治療後將與ADC17 mRNA作用，以調節其翻譯。

圖1：蛋白質組學設計。① 雷帕黴素處理；② CHX處理；③ UV交聯；④ 免疫沉澱翻譯的FGH17 mRNA；⑤ RNase特異性洗脫；⑥ 蛋白質定量質譜。

爲了驗證這個假設，作者將PP7 loops引入內源性ADC17 mRNA（圖2a），觀察到Ede1和ADC17 mRNA頻繁接觸，這與最近報道的Ede1是一種潛在的RNA結合蛋白相一致【2】。爲了證實Ede1在翻譯水平調節ADC17 mRNA，作者採用了SunTag標記法（圖2d）【3】，約23%的ADC17 mRNA在未經處理的細胞中具有翻譯活性，在雷帕黴素處理的細胞中增加到約40%，表明ADC17 mRNA翻譯在TORC1抑制後增加，這種增加的ADC17 mRNA翻譯在經雷帕黴素處理的ede1Δ細胞中丟失，表明Ede1在TORC1抑制後對ADC17 mRNA翻譯十分重要。

圖2：Ede1在TORC1抑制後調控ADC17 mRNA翻譯。

Ede1參與網格蛋白介導的內吞作用（clathrin-mediated endocytosis，CME）。爲了確定內吞作用對應激介導的蛋白酶體組裝是否重要，作者檢測了參與CME的其他非必需蛋白質的突變體是否模擬ede1Δ細胞的缺陷，發現Ede1、Sla1和Vrp1對RPAC翻譯都很重要。通過活細胞成像，作者觀察到ADC17 mRNA沿着Actin運動。然而，運動的方向和機制是什麼呢？

有報道指出，雷帕黴素會使Actin細胞骨架去極化【4】，因此，Actin去極化可能是RPAC誘導的關鍵步驟。爲了確認這種可能性，作者追蹤了Actin染色細胞中的ADC17 mRNA，結果表明，TORC1抑制後的Actin去極化將ADC17 mRNA進行了重新定位。進而作者用Lat-B斷裂Actin，誘導出了蛋白酶體組裝活性，在TORC1抑制後，Ede1在Actin去極化下游發揮作用，有助於穩定皮質Actin中的ADC17 mRNA。說明在雷帕黴素治療後，Ede1介導的ADC17 mRNA在皮質肌Actin的募集對於刺激ADC17翻譯至關重要。

mRNA定位和選擇性翻譯對發育、細胞遷移、應激抵抗等多種過程都很重要。這篇論文報道了ADC17-RPAC mRNA通過Actin運輸，當Actin被應激破壞時，ADC17 mRNA重新定位到Ede1位點，翻譯抑制減輕，並與皮質肌動蛋白斑塊相互作用。雷帕黴素和Lat-B處理分別抑制和去除Actin後，mRNA在皮質Actin處穩定下來。這種RPAC mRNA的重新定位增加了RPAC的翻譯，並最終在Ede1、Sla1和Vrp1存在的情況下進行蛋白酶體組裝。這項工作表明，Actin重構控制應激下的mRNA定位和翻譯，幫助蛋白質組適應環境和生理挑戰。由於Actin作爲細胞骨架與各種人類疾病都有關，因此更好地瞭解Actin細胞骨架重構如何在病理生理條件下控制選擇性翻譯具有重要的意義。

https://doi.org/10.1038/s41556-022-00938-4

製版人：十一

參考文獻

1. Saxton, R. A. & Sabatini, D. M. mTOR signaling in growth, metabolism, and disease.Cell168, 960–976 (2017).

2. Shchepachev, V. et al. Defining the RNA interactome by total RNA-associated protein purification.Mol. Syst. Biol.15, e8689 (2019).

3. Wang, C., Han, B., Zhou, R. & Zhuang, X. Real-time imaging of translation on single mRNA transcripts in live cells.Cell165, 990–1001 (2016).

4. Torres, J., Di Como, C. J., Herrero, E. & de la Torre-Ruiz, M. A. Regulation of the cell integrity pathway by rapamycin-sensitive TOR function in budding yeast.J. Biol. Chem.277, 43495–43504 (2002).

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