Nature | 线粒体上的清道夫蛋白——Ubx2

来源：BioArt

大多数线粒体的结构和功能蛋白都是由核基因编码，并由细胞质内的核糖体翻译合成前体，前体蛋白经过TOM复合体 (translocase of the outer mitochondrial membrane) 形成的通道进入线粒体内部。TOM复合体定位在线粒体外膜，由三部分组成：受体Tom20、Tom22、Tom70，识别前体蛋白；核心蛋白Tom40构成通道中心；小Tom蛋白Tom5、Tom6、Tom7【1】。线粒体蛋白导入一旦受损，会导致包括蛋白酶体的活性增加（the unfolded protein response activated by mistargeting of proteins, UPRam）、伴侣蛋白水平增加、下调参与线粒体氧化磷酸化的蛋白水平、调控胞质蛋白表达（mitochondrial precursor over-accumulation, mPOS）、诱导基因CIS1表达等一系列细胞内应激反应（即线粒体蛋白诱导的应激反应）。上调的Cis1招募AAA ATPase Msp1到Tom70受体，促进将未导入的前体蛋白从线粒体膜上去除（mitochondrial compromised protein import response, mitoCPR），恢复线粒体蛋白导入过程，维持线粒体功能。然而，从TOM 通道中去除未成功导入的前体蛋白，实现结构性质控的机制目前尚未有报道。

近日，来自德国弗莱堡大学的Thomas Becker团队在Nature上发表了题为 Mitochondrial protein translocation- associated degradation的文章，发现在啤酒酵母中Ubx2不仅参与内质网相关的蛋白降解，而且与线粒体膜上TOM复合体结合并招募AAA ATPase Cdc48去除TOM通道中未成功导入的前体蛋白。后者在非应激状态下持续性地监管TOM通道以防前体蛋白堵塞，保证线粒体的蛋白导入能力，抑制线粒体蛋白诱导的应激反应。

Ubx2介导AAA ATPase Cdc48复合物和ER膜上泛素化酶Doa10和Hrd1的结合，促进ER内的蛋白转运到胞质，并被蛋白酶体降解，是ER相关蛋白降解过程的关键因子【2】。研究团队发现Ubx2和线粒体上TOM通道形成蛋白Tom40、小Tom蛋白、受体Tom22相互作用。Ubx2和整个TOM结合形成550KD的复合物。细胞组分分离和Ubx2-GFP荧光定位均表明Ubx2在线粒体和内质网都有分布，而且线粒体上分布的Ubx2和Hrd1、Doa10没有相互作用，区别于参与ER相关蛋白降解的Ubx2。

线粒体外膜前体蛋白穿过TOM通道进入到膜间区（intermembrane space），经SAM（sorting and assembly machinery）催化并整合进外层膜。有研究报道Tom70和MIM复合体（mitochondrial import machinery）促进外膜蛋白的生物合成。Ubx2与线粒体外膜蛋白TOM相互结合，且具有2个预测的跨膜结构域，研究人员进一步探究Ubx2如何整合到线粒体外膜。实验证明Tom70和Mim1缺失导致稳定型Ubx2蛋白、Ubx2-TOM复合物大幅度减少，而Tom20影响的程度稍弱，Sam37缺失没有影响。Tom70主要通过iMTS-L（internal matrix-targeting signal-like sequence）识别前体蛋白。Ubx2预测含有iMTS-L信号段，缺失导致Ubx2的线粒体定位减少，与TOM结合受损。Ubx2前体被Tom70识别，Tom70和MIM复合物介导其进入线粒体外膜。

内质网Ubx2的UBA和UBX结构域位于细胞质中，UBX结构域是胞质蛋白Cdc48及其共因子Ufd1-Npl4的结合位点，UBA结构域和底物蛋白质相互作用。研究人员发现线粒体Ubx2同样通过UBX结构域招募Cdc48及Ufd1与TOM结合，而且Ubx2和Ufd1对于Cdc48与TOM的结合是必需的。同时，Ubx2与线粒体外膜控制蛋白质量的因子Vms1和Msp1共同完成线粒体蛋白质的质控过程。

最后，研究团队证明Ubx2招募Cdc48-Ufd1-Npl4到TOM通道，促进蛋白酶体降解未成功导入的前体蛋白。Ubx2缺失导致前体蛋白在细胞内的积累，同时导致TOM通道的堵塞，引起细胞死亡。

总的来说，该研究揭示了Ubx2招募Cdc48，降解TOM通道中未成功导入的前体蛋白，维持TOM通畅。填补了线粒体蛋白质控机制方面的空白，具有重大的意义。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-019-1227-y

参考文献

1. Pfanner, N., Warscheid, B. & Wiedemann, N. Mitochondrial proteins: from biogenesis to functional networks. Nat Rev Mol Cell Biol 20, 267-284, doi:10.1038/s41580-018-0092-0 (2019).