肖磊，潘佳瀅

（沈陽師范大學 生命科學學院，遼寧沈陽 110034）

細胞中由于基因突變或錯誤折疊、受損及氧化的蛋白，最終均會被降解或者消除[1]。在細胞質(zhì)、細胞核和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，通常由蛋白酶體將以上蛋白降解或消除，而在線粒體中則需要溶酶體自我吞噬或者降解蛋白，如Lon蛋白酶等完成這一工作，以維持線粒體的穩(wěn)態(tài)[2]，其中通過降解蛋白進行降解或消除是主要途徑[3]。Lon蛋白酶在蛋白質(zhì)質(zhì)量控制和緩解線粒體氧化應激過程中都發(fā)揮著重要作用[4]。

1 Lon蛋白酶對線粒體蛋白的特異性降解

1.1 對線粒體烏頭酸酶的特異性降解

線粒體烏頭酸酶（Mitochondrial Aconitase，ACO2）是一種線粒體必需酶，對氧化十分敏感。ACO2的活性水平可以標記和反映線粒體內(nèi)的氧化應激（Oxidative Stress，OS）以及氧化還原的水平。在Lon蛋白酶的諸多底物中，ACO2是最有特征的一種，該酶作為三羧酸（Tricarboxylic acid，TCA）循環(huán)的調(diào)節(jié)酶，能夠催化線粒體TCA循環(huán)中的順烏頭酸酶（cis-Aconitase），并將檸檬酸異構(gòu)化為異檸檬酸[5]。

Lon蛋白酶過表達會降低ACO2的水平和活性[6]。在嚴重氧化的情況下，Lon蛋白酶的可利用性下降，引起被氧化的ACO2積累，從而導致線粒體功能障礙和細胞凋亡[7]。

1.2 對線粒體硫氧還蛋白的特異性降解

硫氧還蛋白（Sulfiredoxin/Thioredoxin，Srx/Trx）作為一種氫載體蛋白，參與氧化還原信號轉(zhuǎn)導在內(nèi)的許多重要生物學過程且發(fā)揮關(guān)鍵作用。大多數(shù)哺乳動物在能量代謝和類固醇激素合成過程中線粒體內(nèi)會產(chǎn)生大量的過氧化氫（H2O2），且H2O2能夠釋放到細胞質(zhì)基質(zhì)中[8]。

線粒體中有幾種可以消除H2O2的酶。過氧化物酶系PeroxiredoxinⅢ（Prx Ⅲ）是大多數(shù)類型細胞線粒體中最豐富、消除H2O2最有效的酶，這一過程會導致Prx Ⅲ-SO2H的積累，當一定量的Prx Ⅲ失活，線粒體中的H2O2將會釋放到細胞質(zhì)基質(zhì)中，觸發(fā)信號通路。細胞質(zhì)中的Trx進入到線粒體中，與PrxⅢ-SO2H緊密結(jié)合并將其還原成Prx Ⅲ-SH。由于Prx Ⅲ-SO2H的含量下降，Lon蛋白酶降解Trx至基礎(chǔ)水平[9]。

2 Lon蛋白酶與缺氧/缺血應激

Lon蛋白酶可以降解線粒體基質(zhì)內(nèi)被氧化的蛋白，所以在應對缺氧或缺血等氧化應激的過程中起到關(guān)鍵作用。細胞色素c氧化酶（Cytochrome c Oxidase，CcO）復合物Ⅰ、ⅠⅤi、Ⅴb型亞基在缺氧和心肌缺血-再灌注時被PKA磷酸化[10]，CcO活性被破壞，導致增加活性氧（Reactive Oxygen Species，ROS）生成。在缺氧條件下，缺氧誘導因子（HIF-1α）上調(diào)，與Lon蛋白的啟動子結(jié)合使Lon基因上調(diào)，促使Lon蛋白酶降解CcO亞基，從而在低氧條件下賦予酶最佳活性[11]。

Lon蛋白酶上調(diào)，能夠防止蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的氧化損傷，保持線粒體氧化還原的平衡，能夠減少線粒體復合物I的水平，減輕心臟損傷。研究表明，心臟缺血預處理（IPC）后的小鼠心臟中Lon蛋白酶1（LonP1）轉(zhuǎn)錄組和蛋白表達水平顯著上調(diào)，LonP1過表達3～4倍的小鼠的心臟梗塞面積顯著減小，凋亡減少[12]。

3 Lon蛋白酶與疾病

3.1 Lon蛋白酶與帕金森綜合征

線粒體受損后，不斷產(chǎn)生并積累大量有毒的ROS，引起帕金森氏?。≒arkinson Disease，PD）[13]。ROS的產(chǎn)生引起蛋白質(zhì)氧化可能是PD發(fā)病機理中的關(guān)鍵。線粒體產(chǎn)生的ROS增多會促進Lon蛋白酶表達，以應對氧化損傷。但是，蛋白酶的活化不足以降解積累在線粒體中的所有羰基化蛋白質(zhì)，所以在氧化應激增強的情況下，Lon蛋白酶可能容易失活，從而導致線粒體功能障礙和神經(jīng)細胞死亡[14]。線粒體損傷不會永久產(chǎn)生大量的ROS，線粒體LON-ClpP蛋白質(zhì)量控制軸能夠通過降解線粒體復合物Ⅰ的ROS生成域來抑制ROS的生成[15]，例如有研究發(fā)現(xiàn)PD患者腦中線粒體復合物Ⅰ活性選擇性缺失[16]。

3.2 Lon蛋白酶與CODAS綜合征

CODAS綜合征是一種罕見的常染色體隱性發(fā)育障礙，與線粒體Lon蛋白酶的功能障礙有關(guān)，其特征是腦、眼、牙齒、耳廓和骨骼異常[17]。在CODAS綜合征中，Lon蛋白酶降解部分蛋白質(zhì)底物的過程會受到破壞。在3種不同類型的細胞中抑制Lon蛋白酶基因的表達，發(fā)現(xiàn)mtDNA編碼的CcOⅡ型亞基（MT-CO2）上調(diào)，這表明MT-CO2是Lon蛋白酶的底物。在CODAS細胞中觀察到MT-CO2的不溶性和聚集性[18]。Lon蛋白酶表達的改變導致細胞代謝發(fā)生改變，從呼吸代謝轉(zhuǎn)變?yōu)樘墙徒?，而這通常發(fā)生在癌細胞中。Lon蛋白酶的突變可能會破壞其分子伴侶的特性，從而引起CODAS綜合征。

4 結(jié)語

Lon蛋白酶在蛋白質(zhì)量控制及選擇性降解蛋白方面的作用非常重要，Lon蛋白酶水平的升高能夠加快降解線粒體中與ROS相關(guān)的蛋白，以減少氧化應激損傷及缺血-再灌注對心臟的損傷等。在PD、CODAS等疾病中，雖然ROS增多會增加Lon蛋白酶的活化，但是Lon蛋白酶無法消除其帶來的不良影響，甚至會導致自身的失活。Lon蛋白酶表達的改變可能會使細胞代謝發(fā)生改變，這為尋找及研究Lon蛋白酶在與ROS相關(guān)疾病中的作用提供了研究方向。