Ataxin-3与相关疾病的分子机制的研究进展(1)
【摘要】 Ataxin-3 (AT3，ATXN3)是一种重要的去泛素化酶，正常情况下，它参与基因转录、蛋白代谢、磷酸化以及自身泛素化水平的调节。然而突变的Ataxin-3的表达可致转录失调，导致细胞毒性和神经退行性变疾病，如脊髓小脑共济失调3(SCA3)。AT3的异常不仅能导致神经性病变，而且据最近世界各地的研究表明，AT3的失调可能涉及一些人类癌症或者癌症前期病变(如胃癌、乳腺癌、肺癌、睾丸癌、肝硬化等)的发病机制。虽然目前国内关于ATXN3的研究较少，但在国外已经有大量研究报道，该综述主要总结它的功能与疾病的关系。
【关键词】 Ataxin-3;泛素蛋白酶体系统;聚谷氨酰胺;3型脊髓小脑共济失调
中图分类号：R392.12 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-1383.2019.09.001
Ataxin-3(AT3，ATXN3)作为一种重要的去泛素化酶在国外已经广泛研究，在国内受到的关注也越来越多，本文就AT3的机制和与它相关的疾病进行综述，着重介绍它的基因表达水平和蛋白结构功能，以此更深入了解它与其他疾病潜在的机制。
1 Ataxin-3基因与表达
ATXN3基因位于染色体14q32.12上，包含了13个外显子，并能选择性剪接不同的蛋白亚型，在血液中已经鉴定出56种ATXN3的剪接体，其中20种可能被翻译成功能性Ataxin-3蛋白[1]。最近研究指出三种结构不同的剪接体[2]，分别为Ataxin-3a和Ataxin-3c，还有一个是由Ataxin-3a的C端的外显子10终止单核苷酸多态性(Single nucleotide polymorphisms，SNP)造成的，导致过早终止密码子突变，因此产生了两个亚型：Ataxin-3aL(长)和Ataxin-3aS(短)，这3种不同的剪接体的差异主要表现在羧基末端序列上的不同。
2 Ataxin-3蛋白结构与功能
人类Ataxin-3蛋白是在全身细胞中广泛表达，据报道[2]最长的剪接体AT3有376个氨基酸，分子量约为42 kDa。在结构上，AT3由一个球状的去泛素化N端Josephin结构域(JD)、一个的灵活的C端尾部、C端的两个相互作用的泛素基序(Ubiquitin-interacting motifs，UIMs，也叫LALAL motifs和PUBs)和多谷氨酰胺(Polyglutamine，polyQ)区域构成。其中N端JD位于第1～170位氨基酸上，UIMs在第223～240和243～260位氨基酸上，多谷氨酰胺region在第296～317位氨基酸上。还有一种较短的AT3剪接变体含有373个氨基酸，不同的是在C端含有第三个UIM，这个UIM在第334～351位氨基酸上。此外，在polyQ伸展端(第283～285位氨基酸)的上游发现了一个高度保守的核酸的定位信号(nuclear localization signal，NLS)，包含有17个残基，位于第296～312位氨基酸。在这个NLS结构前有一个潜在的酪蛋白激酶Ⅱ(CK-Ⅱ)磷酸化位点(TSEE)，位于第277～280位氨基酸，该位点可能与AT3进入细胞核的速度相关。而在JD之后有一个核酸输出信号(a nuclear export signal，NES)位于第174～183位氨基酸上。除此之外，Ataxin-3还包含一些保守序列。这些区域有些已经被研究出具有重要的功能，有些区域可能具有潜在的功能还未被研究出。
不同的Ataxin-3亚型在生理水平上存在差异[2]，首先，这三种不同亚型的半衰期存在着差异，Ataxin-3aS的半衰期(12 h)比Ataxin-3c(24 h)和Ataxin-3aL(26 h)要短，降解更快。其次，这三种不同的亚型途径降解存在着差异，Ataxin-3c和Ataxin-3aL是通过自噬(Bafilomycin A1)降解的，而Ataxin-3aS则是通过自噬和蛋白酶体途径降解的，这一点也可以解释Ataxin-3aS半衰期的差异。最后，各亚型的结构和定位不尽相同，Ataxin-3aL和-3aS的C端为疏水性，而Ataxin-3c的C端为亲水性，含有第三个UIM。
从功能上来讲，AT3是一种自发表达的去泛素化酶，在蛋白酶体蛋白降解途径和转录调控中具有重要作用，直接调控泛素-蛋白酶体机制[3]。泛素-蛋白酶体系统(ubiquitin proteasome system，UPS)在真核细胞过程中起着关键的调节作用，包括细胞周期进展、应激反应、信号转导、转录激活和DNA修复。泛素化蛋白水解途径的作用机制是将蛋白导向蛋白酶体降解，清除多余蛋白，維持细胞蛋白正常水平。泛素活化酶(E1)、泛素偶联酶(E2)、泛素连接酶(E3)三种蛋白串联，共价将蛋白泛素连接到底物上，构建蛋白酶体识别所需的多聚泛素链。Parkin是一种环间E3连接酶，负责将泛素偶联到底物蛋白上[4]。研究发现Ataxin-3 C端的三个UIMs(UIM1，UIM2，UIM3)可能与Parkin N端的Ubl相互作用，作为一种去泛素化酶发生相反的作用，可去除泛素[5]。最近的研究显示，p53是ATX-3的一种新型底物，AT3通过泛素(Ub)-蛋白酶体途径抑制p53降解，具有稳定p53的作用，进而调节细胞凋亡的作用[6]，但是AT3调节p53的机制还未阐明。AT3能与人类同源酵母蛋白RAD23、hHR23A和hHR23BUBL相互作用，hHR23通过靶向蛋白酶体的泛素化核苷酸切除修复因子XPC/Rad4参与核苷酸切除修复通路，以及将泛素化底物向蛋白酶体递送降解[7]。
AT3在细胞内是否必须存在可能还有争议，在一项实验中，培养的非神经元人和小鼠细胞中，使用小干扰RNA (small-interference RNA，siRNA)耗尽AT3可导致胞浆内泛素化物质积累、细胞骨架紊乱、细胞黏附丧失和细胞死亡增加[8]，同时研究发现在体外培养的细胞中，AT3与E3泛素连接酶芯片(E3 ubiquitin ligase CHIP)的协同作用下能辅助靶向降解芯片底物[9]。但不同的是[10]，果蝇CHIP对AT3在果蝇眼中的保护功能是不需要的，据此推断CHIP可能不是唯一在体内泛素化Ataxin-3的E3泛素连接酶。而在另一项研究中，将编码短发夹RNA (shRNA)的慢病毒注射入野生型大鼠的大脑，局部敲除内源性AT3并没有显示出任何毒性[11]。, http://www.100md.com(王兴枝子 龙喜带)
【关键词】 Ataxin-3;泛素蛋白酶体系统;聚谷氨酰胺;3型脊髓小脑共济失调
中图分类号：R392.12 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-1383.2019.09.001
Ataxin-3(AT3，ATXN3)作为一种重要的去泛素化酶在国外已经广泛研究，在国内受到的关注也越来越多，本文就AT3的机制和与它相关的疾病进行综述，着重介绍它的基因表达水平和蛋白结构功能，以此更深入了解它与其他疾病潜在的机制。
1 Ataxin-3基因与表达
ATXN3基因位于染色体14q32.12上，包含了13个外显子，并能选择性剪接不同的蛋白亚型，在血液中已经鉴定出56种ATXN3的剪接体，其中20种可能被翻译成功能性Ataxin-3蛋白[1]。最近研究指出三种结构不同的剪接体[2]，分别为Ataxin-3a和Ataxin-3c，还有一个是由Ataxin-3a的C端的外显子10终止单核苷酸多态性(Single nucleotide polymorphisms，SNP)造成的，导致过早终止密码子突变，因此产生了两个亚型：Ataxin-3aL(长)和Ataxin-3aS(短)，这3种不同的剪接体的差异主要表现在羧基末端序列上的不同。
2 Ataxin-3蛋白结构与功能
人类Ataxin-3蛋白是在全身细胞中广泛表达，据报道[2]最长的剪接体AT3有376个氨基酸，分子量约为42 kDa。在结构上，AT3由一个球状的去泛素化N端Josephin结构域(JD)、一个的灵活的C端尾部、C端的两个相互作用的泛素基序(Ubiquitin-interacting motifs，UIMs，也叫LALAL motifs和PUBs)和多谷氨酰胺(Polyglutamine，polyQ)区域构成。其中N端JD位于第1～170位氨基酸上，UIMs在第223～240和243～260位氨基酸上，多谷氨酰胺region在第296～317位氨基酸上。还有一种较短的AT3剪接变体含有373个氨基酸，不同的是在C端含有第三个UIM，这个UIM在第334～351位氨基酸上。此外，在polyQ伸展端(第283～285位氨基酸)的上游发现了一个高度保守的核酸的定位信号(nuclear localization signal，NLS)，包含有17个残基，位于第296～312位氨基酸。在这个NLS结构前有一个潜在的酪蛋白激酶Ⅱ(CK-Ⅱ)磷酸化位点(TSEE)，位于第277～280位氨基酸，该位点可能与AT3进入细胞核的速度相关。而在JD之后有一个核酸输出信号(a nuclear export signal，NES)位于第174～183位氨基酸上。除此之外，Ataxin-3还包含一些保守序列。这些区域有些已经被研究出具有重要的功能，有些区域可能具有潜在的功能还未被研究出。
不同的Ataxin-3亚型在生理水平上存在差异[2]，首先，这三种不同亚型的半衰期存在着差异，Ataxin-3aS的半衰期(12 h)比Ataxin-3c(24 h)和Ataxin-3aL(26 h)要短，降解更快。其次，这三种不同的亚型途径降解存在着差异，Ataxin-3c和Ataxin-3aL是通过自噬(Bafilomycin A1)降解的，而Ataxin-3aS则是通过自噬和蛋白酶体途径降解的，这一点也可以解释Ataxin-3aS半衰期的差异。最后，各亚型的结构和定位不尽相同，Ataxin-3aL和-3aS的C端为疏水性，而Ataxin-3c的C端为亲水性，含有第三个UIM。
从功能上来讲，AT3是一种自发表达的去泛素化酶，在蛋白酶体蛋白降解途径和转录调控中具有重要作用，直接调控泛素-蛋白酶体机制[3]。泛素-蛋白酶体系统(ubiquitin proteasome system，UPS)在真核细胞过程中起着关键的调节作用，包括细胞周期进展、应激反应、信号转导、转录激活和DNA修复。泛素化蛋白水解途径的作用机制是将蛋白导向蛋白酶体降解，清除多余蛋白，維持细胞蛋白正常水平。泛素活化酶(E1)、泛素偶联酶(E2)、泛素连接酶(E3)三种蛋白串联，共价将蛋白泛素连接到底物上，构建蛋白酶体识别所需的多聚泛素链。Parkin是一种环间E3连接酶，负责将泛素偶联到底物蛋白上[4]。研究发现Ataxin-3 C端的三个UIMs(UIM1，UIM2，UIM3)可能与Parkin N端的Ubl相互作用，作为一种去泛素化酶发生相反的作用，可去除泛素[5]。最近的研究显示，p53是ATX-3的一种新型底物，AT3通过泛素(Ub)-蛋白酶体途径抑制p53降解，具有稳定p53的作用，进而调节细胞凋亡的作用[6]，但是AT3调节p53的机制还未阐明。AT3能与人类同源酵母蛋白RAD23、hHR23A和hHR23BUBL相互作用，hHR23通过靶向蛋白酶体的泛素化核苷酸切除修复因子XPC/Rad4参与核苷酸切除修复通路，以及将泛素化底物向蛋白酶体递送降解[7]。
AT3在细胞内是否必须存在可能还有争议，在一项实验中，培养的非神经元人和小鼠细胞中，使用小干扰RNA (small-interference RNA，siRNA)耗尽AT3可导致胞浆内泛素化物质积累、细胞骨架紊乱、细胞黏附丧失和细胞死亡增加[8]，同时研究发现在体外培养的细胞中，AT3与E3泛素连接酶芯片(E3 ubiquitin ligase CHIP)的协同作用下能辅助靶向降解芯片底物[9]。但不同的是[10]，果蝇CHIP对AT3在果蝇眼中的保护功能是不需要的，据此推断CHIP可能不是唯一在体内泛素化Ataxin-3的E3泛素连接酶。而在另一项研究中，将编码短发夹RNA (shRNA)的慢病毒注射入野生型大鼠的大脑，局部敲除内源性AT3并没有显示出任何毒性[11]。, http://www.100md.com(王兴枝子 龙喜带)