宋建祥， 易忠權， 鄭世營

1. 東南大學醫(yī)學院附屬鹽城醫(yī)院心胸外科，鹽城 224005 2. 東南大學醫(yī)學院附屬鹽城醫(yī)院中心實驗室，鹽城 224005 3. 蘇州大學附屬第一醫(yī)院心胸外科，蘇州 215006

泛素-蛋白酶體系統(tǒng)(ubiquitin-proteasome system, UPS)由多種不同的蛋白質組成，其中的泛素酶主要包括泛素激活酶E1、泛素結合酶E2、泛素連接酶E3及泛素解離酶等，是細胞內介導蛋白質選擇性降解的主要路徑[1]，參與調控細胞分化、DNA損傷修復及細胞凋亡等一系列的生理病理進程[2]。泛素化修飾是一個可逆反應，其逆過程稱為去泛素化，由去泛素化酶(deubiquitinating enzyme, DUB)調節(jié)和介導[3]。

基于催化結構域和功能的不同，DUB可分為5類：泛素特異性蛋白酶系(ubiquitin-specific protease, USP)、卵巢腫瘤相關蛋白酶系(ovarian tumour-like proteases, OTU)、泛素羧基末端水解酶系(ubiquitin carboxy-terminal hydrolase, UCH)、MJD結構域蛋白酶系(Machado-Josephin domain proteases, MJD)以及JAMM/MPN結構域相關金屬蛋白酶系(JAMM/MPN domain-associated metallopeptidases, JAMM)[4]。其中，USP成員數(shù)量最多、結構最具多樣性。USP15(ubiquitin-specific peptidase 15)是其重要代表，其不僅參與多種腫瘤細胞生長和凋亡的調控，還與多種疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關[5-6]。因此，本文就USP15的基因定位與表達、相關信號通路及其與疾病的相關性等研究進展作一綜述。

1 USP15的基因定位與表達

USP15基因位于染色體帶12q14.1，在基因組DNA上全長為149 382 bp。USP15基因編碼19個轉錄體，其中僅8個轉錄體包含編碼區(qū)。通過Ensembl基因組數(shù)據(jù)庫(http://asia.Ensembl.org/index.html)和UniProt數(shù)據(jù)庫(http://www.uniprot.org/un-iprot/Q9Y4E8)對外顯子全長數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，人類基因組主要包含3種USP15轉錄體和蛋白亞型，其亞型USP15-001、USP15-002、USP15-003分別包含981、952、235個氨基酸殘基[7]。

多種器官和組織中存在USP15 mRNA表達，其中睪丸、胰腺、甲狀腺和腎上腺呈較高表達[8]。HeLa細胞中USP15主要表達在胞質和胞核，而在MDA-MB-231乳腺癌細胞株中USP15僅在質膜上表達[9]。USP15的定位主要依賴分子結構中所包含的核輸出信號(NESs)和核定位信號(NLSs)，但蛋白的定位并不是由NESs和NLSs信號單獨決定的。不同種類細胞中USP15接收上述兩種信號的差異決定其在胞核和胞質中定位及分布比例[8]。

2 USP15參與調節(jié)的相關信號通路

2.1 USP15與CSN/CRLs信號通路 COP9信號復合體(COP9-signalosome, CSN)是由9個亞基(CSN1～CSN7a、CSN7b、CSN8)組成的多功能蛋白復合物[10]，參與包括細胞復制、DNA損傷修復及細胞凋亡等多種與癌癥發(fā)生發(fā)展相關的代謝活動[11]。Cullin-Ring E3泛素連接酶(CRLs)是一類組裝在支架蛋白Cullin上的多亞基E3連接酶復合物。細胞內CRLs的激活除了需要相關多亞基的有效組合外，還依賴Neddylation修飾及類泛素分子Nedd8對其Cullin骨架蛋白的共價修飾[12-13]。CSN在CRLs的Deneddylation作用過程中起重要的調控作用[14-15]。Zhou等[16]通過質譜分析技術觀察到，與人USP15具有同源性的粟酒裂殖酵母ubp12p與CSN可起結合反應。Hetfeld等[17]發(fā)現(xiàn)人源USP15能與CSN結合，使CRLs復合體及RBX1去泛素化，通過此來穩(wěn)定CRLs同時保留CRLs的E3泛素連接酶活性。因此，USP15在CSN/CRLs信號通路中起著關鍵作用。

2.2 USP15與CSN/APC介導的β-catenin信號轉導通路 Wnt信號通路也稱為Wnt/β-catenin信號通路，其信號激活與否高度依賴細胞內β-catenin濃度，而β-catenin的濃度受Axin/GSK-3/APC復合體控制。這一復合體由Axin的3個不同區(qū)域分別結合GSK3、CK1和β-catenin形成[18]。當Wnt信號未被激活時，CK1α、GSK3依次磷酸化β-catenin而使β-catenin被CRL/SCFβ-TrCP識別，繼而泛素化后被降解，使細胞中的β-catenin維持在較低濃度。Axin/GSK-3/APC復合體的裝配受CSN介導的Deneddylation及APC的濃度控制[19]。USP15能使APC去泛素化，使APC得以穩(wěn)定并不斷積累，從而增強Axin/GSK-3/APC復合體的裝配，促進β-catenin的降解[20]。

2.3 USP15與CSN/IκBa介導的NF-κB信號轉導通路 轉錄因子NF-κB(nuclear factor-κB)是一類可調控多種生理病理活動的蛋白因子，包括炎癥、免疫應答、細胞增殖和凋亡等[21]。細胞在靜息狀態(tài)下，NF-κB與其抑制蛋白IκB結合形成NF-κB-IκB復合物。正常生理情況下，該復合物在細胞核內外處于動態(tài)平衡狀態(tài)。當IκBα被泛素降解后，NF-κB會發(fā)生轉位和激活。USP15能與CSN結合使CRL/SCFβ-TrCP去泛素化，從而穩(wěn)定IκBα，進而抑制NF-κB的轉位和激活。其中，CRL/SCFβ-TrCP能夠抑制IκBα的泛素依賴性殘基Ser-32和Ser-36被降解[22-23]。

2.4 USP15與TGF-β信號轉導通路 轉化生長因子β(TGF-β)是一種細胞分泌因子，其在調控細胞復制、分化、轉移及凋亡過程中發(fā)揮著重要作用[24-25]。TGF-β通路調節(jié)異常與心血管系統(tǒng)、肌肉骨骼、神經系統(tǒng)等均有密切關聯(lián)[26]。SMAD2、SMAD3、SMAD7是R-SMADs家族中的蛋白質，其中SMAD2和SMAD3可在C末端磷酸化，磷酸化后的SMAD2和SMAD3參與TGF-β信號通路的激活[27]。另外，SMAD7是TGF-β通路的轉錄靶位，其作為支架蛋白募集SMURF2。SMURF2是一種E3泛素連接酶靶向TGF-β受體，可使TGF-β受體被泛素降解，進而抑制TGF-β通路[28]。Zhang等[29]研究發(fā)現(xiàn)USP15可以水解磷酸化后與SMAD2和SMAD3 DNA結合區(qū)域所連接的泛素分子，使得新一輪依賴SMAD的轉錄繼續(xù)進行，激活TGF-β通路。USP15能對SMAD7-SMURF2復合體介導的Ⅰ型TGF-β受體(TβR-Ⅰ)去泛素化，抑制TβR-Ⅰ的降解，增強TGF-β通路[30]。

2.5 USP15與MDM2介導的p53信號轉導通路 p53蛋白是人類腫瘤最重要的抑制因子之一。MDM2(murine double minute 2)蛋白是p53重要的負性調節(jié)因子[31]。MDM2的E3泛素酶能使其與p53結合，并將p53泛素化降解。此外，MDM2還可負性調節(jié)抗腫瘤T細胞的活化反應，使T細胞靶向降解轉錄因子NFATc2。40多種惡性腫瘤中均可檢測到過表達的MDM2[32]。黑素瘤和結直腸癌細胞株中USP15可以與MDM2結合，通過去泛素化作用抑制MDM2的泛素化降解，進而促進p53的降解，同時抑制T細胞的抗腫瘤反應[33]。USP15可以穩(wěn)定MDM2蛋白水平進而促進腫瘤的發(fā)生，因此USP15可能是潛在的藥物靶點。

2.6 USP15與HPV E6介導的p53信號轉導通路 人乳頭瘤病毒(HPV)屬于乳多空病毒科A亞群的一組DNA病毒，HPV亞型有120多種。其中高危型HPV E6蛋白不僅與人宮頸癌有關，且與生殖器、頭頸部腫瘤及皮膚癌等發(fā)生發(fā)展也密切相關[34-35]。HPV E6能作用于腫瘤抑制因子p53，導致p53在蛋白酶體中降解，從而使HPV陽性的細胞株p53的水平降低[36]。Vos等[37]發(fā)現(xiàn)USP15可以與HPV-16 E6蛋白相互作用并調節(jié)其穩(wěn)定性，高表達的USP15通過去泛素化作用使HPV-16 E6蛋白水平明顯升高，進而促進p53的降解。

3 USP15與相關疾病

3.1 USP15與腫瘤 USP15與非小細胞肺癌、惡性膠質瘤、乳腺癌和卵巢癌等多種腫瘤的發(fā)生均密切相關，在惡性膠質瘤、乳腺癌和卵巢癌細胞中，USP15基因拷貝數(shù)均明顯高于正常對照組，存在過表達現(xiàn)象[21,32]。Xie等[38]通過微陣列分析表明，與親代細胞相比，對多西紫杉醇耐藥的胃癌細胞USP15的表達顯著下調，并且該結果被RT-PCR證實。研究者進一步對消化系統(tǒng)其他11個腫瘤細胞系的USP15表達與多西紫杉醇耐藥關系進行了研究，結果亦同樣證實USP15的表達與多西紫杉醇的敏感性密切相關。因此，USP15有望成為腫瘤個體化治療中的新的靶標用于評估某些化療藥物的療效。

3.2 USP15與帕金森病 帕金森病(Parkinson disease, PD)是一種因黑質多巴胺神經元丟失導致的神經退行性疾病[39]。遺傳性PD與PARK2基因突變有密切關系，該基因編碼E3泛素連接酶PARKIN。正常細胞中PARKIN從細胞質轉運到受損的線粒體，使線粒體外膜蛋白泛素化，從而選擇性地誘導線粒體自噬[40]。

4 總結與展望

USP15作為一種重要的去泛素化酶，能直接或間接地調節(jié)細胞內多種蛋白的功能和穩(wěn)定性，通過調節(jié)多種信號通路參與或調控包括腫瘤等多種疾病的發(fā)生發(fā)展。盡管USP15的重要性得到了很好的闡述，但目前對于USP15與相關疾病關系的研究仍不深入，且目前對USP15所作用的底物知之甚少。隨著蛋白質組學關鍵技術如生物質譜技術、蛋白質芯片技術等的發(fā)展，將實現(xiàn)對泛素-蛋白酶體系統(tǒng)進行深入研究，對USP15與相關信號因子的相互作用網絡進行系統(tǒng)研究，并據(jù)此開發(fā)特異性靶向藥物，從而為相關疾病的機制及治療提供新的手段。

[ 1 ] CLAGUE M J, URBé S. Ubiquitin: same molecule, different degradation pathways[J].Cell, 2010,143(5):682-685.

[ 2 ] SAHASRABUDDHE A A, ELENITOBA-JOHNSON K S. Role of the ubiquitin proteasome system in hematologic malignancies[J]. Immunol Rev, 2015,263(1):224-239.

[ 3 ] MCKINNON C, TABRIZI S J.The ubiquitin-proteasome system in neurodegeneration[J].Antioxid Redox Signal, 2014,21(17):2302-2321.

[ 4 ] PEREIRA R V, DE S GOMES M, OLMO R P, et al.Ubiquitin-specific proteases are differentially expressed throughout the schistosoma mansoni life cycle[J]. Parasit Vectors, 2015,8:349.

[ 5 ] TORRE S, POLYAK M J, LANGLAIS D, et al. USP15 regulates type Ⅰ interferon response and is required for pathogenesis of neuroinflammation[J]. Nat Immunol, 2017,18(1):54-63.

[ 6 ] CHOU C K, CHANG Y T, KORINEK M, et al. The regulations of deubiquitinase USP15 and its pathophysiological mechanisms in diseases[J]. Int J Mol Sci, 2017,18(3).pii:E483.

[ 7 ] ANGELATS C, WANG X W, JERMIIN L S, et al. Isolation and characterization of the mouse ubiquitin-specific protease Usp15[J]. Mamm Genome, 2003,14(1):31-46.

[ 8 ] CROWE S O,PHAM G H,ZIEGLER J C,et al. Subunit-specific labeling of ubiquitin chains by using sortase: insights into the selectivity of deubiquitinases[J].Chembiochem,2016,17(16):1525- 1531.

[ 9 ] SOBOLEVA T A, JANS D A, JOHNSON-SALIBA M, et al. Nuclear-cytoplasmic shuttling of the oncogenic mouse UNP/USP4 deubiquitylating enzyme[J]. J Biol Chem, 2005,280(1):745-752.

[10] SCHMIDT M W, MCQUARY P R, WEE S, et al. F-box-directed CRL complex assembly and regulation by the CSN and CAND1[J]. Mol Cell, 2009,35(5):586-597.

[11] LI P, XIE L, GU Y, et al. Roles of multifunctional COP9 signalosome complex in cell fate and implications for drug discovery[J]. J Cell Physiol, 2017,232(6):1246-1253.

[12] CHUNG D, DELLAIRE G. The role of the COP9 signalosome and neddylation in DNA damage signaling and repair[J]. Biomolecules, 2015,5(4):2388-2416.

[13] LI J M, JIN J. CRL ubiquitin ligases and DNA damage response[J]. Front Oncol, 2012,2:29.

[14] DUBIEL D, ROCKEL B, NAUMANN M, et al. Diversity of COP9 signalosome structures and functional consequences[J]. FEBS Lett, 2015,589(19 Pt A):2507-2513.

[15] GUMMLICH L, RABIEN A, JUNG K, et al. Deregulation of the COP9 signalosome-cullin-ring ubiquitin-ligase pathway: mechanisms and roles in urological cancers[J]. Int J Biochem Cell Biol, 2013,45(7):1327-1337.

[16] ZHOU C, WEE S, RHEE E, et al. Fission yeast COP9/signalosome suppresses cullin activity through recruitment of the deubiquitylating enzyme Ubp12p[J]. Mol Cell, 2003,11(4):927-938.

[17] HETFELD B K, HELFRICH A, KAPELARI B, et al.The zinc finger of the CSN-associated deubiquitinating enzyme USP15 is essential to rescue the E3 ligase Rbx1[J].Curr Biol, 2005,15(13):1217-1221.

[18] STAMOS J L, WEIS W I. The β-catenin destruction complex[J]. Cold Spring Harb Perspect Biol, 2013,5(1):a007898.

[19] JUMPERTZ S, HENNES T, ASARE Y, et al. CSN5/JAB1 suppresses the WNT inhibitor DKK1 in colorectal cancer cells[J]. Cell Signal. 2017,34:38-46.

[20] HARPER S, BESONG T M, EMSLEY J, et al. Structure of the USP15 N-terminal domains: a β-hairpin mediates close association between the DUSP and UBL domains[J].Biochemistry, 2011,50(37):7995-8004.

[21] CAHILL K E, MORSHED R A, YAMINI B. Nuclear factor-κB in glioblastoma: insights into regulators and targeted therapy[J]. Neuro Oncol, 2016,18(3):329-339.

[22] SCHWEITZER K, NAUMANN M.CSN-associated USP48 confers stability to nuclear NF-κB/RelA by trimming K48-linked Ub-chains[J]. Biochim Biophys Acta, 2015,1853(2):453-469.

[23] AKSENTIJEVICH I, ZHOU Q.NF-κB pathway in autoinflammatory diseases: dysregulation of protein modifications by ubiquitin defines a new category of autoinflammatory diseases[J].Front Immunol, 2017,8:399.

[24] MASSAGUé J. TGF-β signalling in context[J]. Nat Rev Mol Cell Biol, 2012,13(10):616-630.

[25] ZHANG J, ZHANG X, XIE F, et al.The regulation of TGF-β/SMAD signaling by protein deubiquitination[J]. Protein Cell, 2014,5(7):503-517.

[26] REDONDO S, NAVARRO-DORADO J, RAMAJO M, et al. The complex regulation of TGF-β in cardiovascular disease[J]. Vasc Health Risk Manag, 2012,8:533-539.

[27] LUO K. Signaling cross talk between TGF-β/Smad and other signaling pathways[J]. Cold Spring Harb Perspect Biol, 2017,9(1).pii: a022137.

[28] OGUNJIMI A A, WIESNER S, BRIANT D J, et al. The ubiquitin binding region of the Smurf HECT domain facilitates polyubiquitylation and binding of ubiquitylated substrates[J].J Biol Chem, 2010,285(9):6308-6315.

[29] ZHANG L, ZHOU F, GARCA DE VINUESA A, et al.TRAF4 promotes TGF-β receptor signaling and drives breast cancer metastasis[J]. Mol Cell, 2013,51(5):559-572.

[30] LIU W T, HUANG K Y, LU M C, et al. TGF-β upregulates the translation of USP15 via the PI3K/AKT pathway to promote p53 stability[J]. Oncogene, 2017,36(19):2715-2723.

[31] WANG S, ZHAO Y, AGUILAR A, et al.Targeting the MDM2-p53 protein-protein interaction for new cancer therapy: progress and challenges[J].Cold Spring Harb Perspect Med,2017,7(5).pii: a026245.

[32] EBRAHIM M, MULAY S R, ANDERS H J, et al.MDM2 beyond cancer: podoptosis, development, inflammation, and tissue regeneration[J]. Histol Histopathol, 2015,30(11):1271-1282.

[33] ZOU Q, JIN J, HU H, et al.USP15 stabilizes MDM2 to mediate cancer-cell survival and inhibit antitumor T cell responses[J]. Nat Immunol, 2014,15(6):562-570.

[34] DODD R H, WALLER J, MARLOW L A. Human papillomavirus and head and neck cancer: psychosocial impact in patients and knowledge of the link-a systematic review[J].Clin Oncol (R Coll Radiol), 2016,28(7):421-439.

[35] SCHMIDT S A, HAMILTON-DUTOIT S J, FARKAS D K, et al. Human papillomavirus and the incidence of nonmelanoma and melanoma skin cancer using cervical conization as a surrogate marker: a nationwide population-based Danish cohort study[J]. Ann Epidemiol, 2015,25(4):293-296.

[36] CHENG D, GUO Z, ZHANG S. Effect of β-sitosterol on the expression of HPV E6 and p53 in cervical carcinoma cells[J]. Contemp Oncol (Pozn), 2015,19(1):36-42.

[37] VOS R M, ALTREUTER J, WHITE E A, et al.The ubiquitin-specific peptidase USP15 regulates human papillomavirus type 16 E6 protein stability[J].J Virol, 2009,83(17):8885-8892.

[38] XIE L, WEI J, QIAN X, et al.CXCR4, a potential predictive marker for docetaxel sensitivity in gastric cancer[J]. Anticancer Res, 2010,30(6):2209-2216.

[39] CALIGIORE D, HELMICH R C, HALLETT M,et al.Parkinson's disease as a system-level disorder[J]. NPJ Parkinsons Dis, 2016,2:16025.

[40] ZHANG C W, HANG L, YAO T P, et al.Parkin regulation and neurodegenerative disorders[J].Front Aging Neurosci, 2016,7:248.