神经外科

ISG15及其介导的ISG修饰在中枢神经系统疾病中的研究进展

作者:佚名 来源:MedSci梅斯 日期:2023-01-15
导读

         中枢神经系统是人体结构的司令部,与其他系统相比,神经系统解剖复杂,发生疾病往往更为凶险,给患者带来不良预后。如何理解中枢神经系统发生疾病后的病理生理过程,寻找靶点对中枢神经系统疾病进行干预,也是当前的研究热点。 蛋白质翻译后修饰(proteintranslationalmodifications,PTMs)是指某些功能基团或蛋白质可以添加至靶蛋白上,对靶蛋白功能进行调节,从而增加蛋白质组的功能多

关键字:  神经系统疾病 

        中枢神经系统是人体结构的“司令部”,与其他系统相比,神经系统解剖复杂,发生疾病往往更为凶险,给患者带来不良预后。如何理解中枢神经系统发生疾病后的病理生理过程,寻找靶点对中枢神经系统疾病进行干预,也是当前的研究热点。

        蛋白质翻译后修饰(proteintranslationalmodifications,PTMs)是指某些功能基团或蛋白质可以添加至靶蛋白上,对靶蛋白功能进行调节,从而增加蛋白质组的功能多样性,比如磷酸化、泛素化、甲基化、乙酰化、脂酰化、乳酸化修饰等,PTMs对细胞的各种生理病理过程都具有重要的调节作用。因此,识别和理解PTMs在细胞生物学和疾病治疗和预防的研究中至关重要。

        干扰素刺激基因15(interferonstimulatedgene15,ISG15)是一个类泛素蛋白,可以发挥翻译后修饰作用,虽然泛素化修饰通常导致目标蛋白被降解,但与泛素化修饰不同的是,ISG15修饰对蛋白功能的影响更加复杂多样。ISG15在中枢神经系统中发挥重要的调控作用,对其研究也更有助于对中枢神经系统疾病进行理解,为疾病的干预寻找研究思路。

1.ISG15及其介导的ISG修饰

        1.1ISG15的结构

        ISG15是一个相对分子质量为15000~17000的蛋白,于1979年被研究人员发现,其结构中具有两个泛素样结构域,可以与蛋白共价结合,通过翻译后修饰发挥生物学作用。其C末端具有亮氨酸-精氨酸-亮氨酸-精氨酸-甘氨酸-甘氨酸(Leucine-Arginine-Leucine-Arginine-Glycine-Glycine,LRLRGG)氨基酸链,含有两个区域(D1、D2),D1为N端结构域,对应第3~78个氨基酸,D2为C端结构域,对应第79~154个氨基酸,C端和N端均与泛素有大约33%的同源性,此外ISG15与泛素也具有一定的构象相似性。

        泛素的氨基酸残基赖氨酸29是ISG15的受体,细胞内可以作为ISG15的底物,这说明ISG15也有可能参与到泛素的生物学作用中,但是其机制仍不十分清楚。ISG15在多种哺乳动物及鱼类等脊椎动物均有表达,在不同物种甚至同一物种之间有都具有序列差异性,可能与在三级结构上介导不同的功能有关,然而其LRLRGG氨基酸链在不同物种中具有保守性。

        1.2ISG修饰

        ISG15与泛素具有同源性,与泛素化类似,ISG15修饰底物也需要相关的E1、E2、E3样酶进行作用,而这个过程即为ISG修饰。E1样泛素激活酶(ubiquitinactivatingenzymeE1-like,UbE1L,或称为UbA7)是E1样酶,与ISG15的C端结合并参与ISG15的激活,活性位点与泛素E1酶具有45%的同一性,研究人员发现在缺乏UbE1L的小鼠不能形成ISG15偶联物。

        泛素结合酶E2L6(ubiquitinconjugatingenzymeE2L6,UbE2L6,或称为UbCH8)是ISG15的E2样酶,两个课题组的研究人员分别通过对IFN诱导的泛素E2家族酶类筛选、IFN诱导的ISG15结合蛋白进行筛选得出ISG15的E2酶,在泛素E2酶中,泛素结合酶E2L3(ubiquitin-conjugatingenzymeE2L3,UbE2L3,或称为UbCH7)与UbE2L6在一级序列上具有很高的相似性,泛素E1酶与UbE2L3的亲和力较高,而UbE1L与UbE2L6的亲和力较高,这一差异可能与N末端结构有关,UbE2L6的N端可以与UbE1L特异性结合。

        E3样酶负责目的蛋白与ISG15的连接,HECT和RLD结构域的E3泛素蛋白连接酶5(HECTandRLDdomaincontainingE3ubiquitinproteinligase5,HERC5)是ISG修饰过程中的E3样酶,研究人员发现,小干扰RNA减少HERC5表达可以减少ISG修饰,含有HERC5的过表达可以在无IFN刺激的情况下强烈诱导ISG修饰,HERC5在人中表达,小鼠中无HERC5蛋白,起相似作用的是含有HECT和RLD结构域的E3泛素蛋白连接酶6(HECTandRLDdomaincontainingE3ubiquitinproteinligase6,HERC6)。

        1.3去ISG修饰

        ISG15从目标蛋白的解离也需要特定酶类,起这个作用的酶主要是泛素特异性肽酶18(ubiquitinspecificpeptidase18,USP18,或称为UBP43)。1999年研究人员分析AML1-ETO基因敲入小鼠的差异基因时发现这一蛋白,并且发现它属于泛素特异性蛋白酶(ubiquitin-specificprocessingenzyme,UBP)家族,UBP家族酶具有去泛素化的作用,可以将结合在蛋白上的泛素解离。

        由于其相对分子质量为43000,因此被命名为UBP43,随后人类UBP蛋白被更名为泛素特异性肽酶(UbiquitinSpecificPeptidase,USP),根据UBP家族蛋白的发现顺序UBP43又被称为USP18。USP18敲除小鼠显示干扰素诱导ISG修饰增强,但是并没有增强蛋白质泛素化,同时对感染性疾病的抵抗力更强。

        由于ISG15与泛素具有同源性,具有与泛素相似的结构,因此一些去泛素化酶也具有去ISG修饰的作用,比如USP2、USP5、USP13和USP14等。

 

2.ISG15及ISG修饰在中枢神经系统感染性疾病中的研究进展

        2.1人免疫缺陷病毒(humanimmunodeficiencyvirus,HIV)感染

        研究人员发现,艾滋病患者血清及脑脊液ISG15水平均升高,高ISG15水平可能与高病毒载量有关,而长期抗逆转录病毒治疗可以降低ISG15的水平。研究表明ISG15可能是HIV相关神经心理学障碍的生物标记物,在HIV导致的神经认知障碍中起到一定作用,HIV-1Tg大鼠是HIV感染的啮齿动物模型,研究人员在大鼠海马中观察到ISG15的高表达以及工作记忆障碍。

        HIV病毒引起IFN信号通路激活,会诱导ISG15、蛋白53、蛋白21等蛋白的表达,这些蛋白可以激活不育-α-基序结构域和组氨酸/天冬氨酸残基双联体结构域包含蛋白1并抑制dNTP生物合成,从而阻止HIV的复制。

        2.2寨卡病毒(zikavirus,ZIKV)感染

        孕妇感染ZIKV会导致婴儿出现脑部畸形。研究人员对巴西18名由寨卡病毒引起的先天性小头畸形儿童进行全基因组甲基化测序,与20名对照组相比,畸形儿童在Rabgap1l、Mx1、Isg15位点发现了显著的甲基化改变。Rabgap1l与神经系统发育有密切关系,而Mx1和Isg15与病毒感染有关,感染寨卡病毒会减弱Mx1和Isg15CpG岛的甲基化,这可能会导致黏病毒抵抗蛋白1和ISG15蛋白表达水平的升高,从而发挥抗病毒作用。

        2.3革兰阴性杆菌感染

        脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)是内毒素的一种。小胶质细胞是中枢神经系统的巨噬细胞,研究人员发现,LPS刺激BV2小胶质细胞系可以引起ISG修饰相关蛋白的表达升高,例如ISG15、UbE1L、UbE2L6、HERC6等,以及蛋白ISG修饰的增加。随后研究人员将UbE1L敲除,发现信号转导子和转录激活子家族1总蛋白水平及磷酸化水平均降低,并且趋化因子配体5和诱导型一氧化氮合酶的水平也有下降。

        这说明ISG15及ISG修饰可能在小胶质细胞炎性反应中起到了一定的作用。小胶质细胞是脑内的吞噬细胞,M1型具有促炎作用,而M2型则相反。虽然尚无研究表明ISG15在小胶质细胞表型转换中所起的作用,但是ISG15在BV2小胶质细胞中具有抗炎作用是已被证实的,其也有可能通过促进小胶质细胞的表型转换发挥抗炎作用。

        2.4其他引起神经系统损伤的感染性疾病

        在一些其他能够引起神经系统损伤的感染性疾病中,研究人员也观察到了I型干扰素引起的ISG15水平升高及ISG修饰的增加,比如犬瘟热病毒、淋巴细胞性脉络膜脑膜炎病毒、圣路易斯脑炎病毒、β诺达病毒等。随着在越来越多感染性疾病中发现ISG15的变化及其所起到的抗感染作用,其作为一个潜在感染标记物也越来越受到关注。

3.ISG15及ISG修饰在神经系统非感染性疾病中的研究进展

        3.1抑郁症

        抑郁症是一种全球广泛流行的精神疾病,抑郁症患者具有较高的自杀风险,并加重家庭和社会负担。有研究人员收集了23个严重抑郁症(majordepressivedisorder,MDD)死亡患者的齿状回脑组织,与对照组无抑郁症的死亡患者脑组织进行RNA测序,发现在MDD患者中ISG15表达水平下降。怀孕期间感染病毒或者细菌引起的母体免疫激活(maternalimmuneactivation,MIA)是精神疾病的独立预测因子,有可能导致后代出现抑郁样行为或抑郁症。

        在妊娠大鼠中模拟MIA状态,研究人员发现子代幼鼠会出现神经树突损坏,ISG15表达增加以及抑郁样行为,而前额叶皮层ISG15过表达也可以出现神经树突损坏和抑郁样行为,抑制ISG15表达则可以改善这些症状。进一步研究发现MIA诱导炎性细胞因子,从而促进ISG15表达,而ISG15则通过抑制神经前体细胞表达的发育下调4/RAS相关蛋白2a通路引起树突损伤,导致抑郁样行为。

        3.2共济失调毛细血管扩张症(ataxiatelangiectasia,A-T)

        A-T是一种由于Atm基因缺陷导致的小脑神经退行性疾病。以往研究常集中在Atm对DNA损伤做出的反应,但是新的研究表明Atm可以抑制ISG修饰并促进蛋白酶体介导的蛋白降解。研究人员发现,在A-T患者中,Atm基因突变细胞中的蛋白ISG修饰水平增高,从而导致蛋白酶体介导的蛋白降解受到抑制,而且在Atm敲除小鼠中也观察到了蛋白的ISG修饰增加,A-T受影响的病变组织为小脑,在A-T小鼠小脑中的ISG15水平比大脑中更高(约为3倍),ISG15水平呈等位基因依赖性变化,Atm-/->Atm-/+>Atm+/+。

        这说明在AT患者中,ISG修饰抑制蛋白酶体介导的蛋白质降解,而异常的Atm无法在这个过程中发挥负调节作用,并有可能与患者的神经退行性变有关。此外,当Atm基因突变细胞的蛋白酶体途径受抑制时,会激活自噬。作为蛋白质更新的补偿机制,自噬的过度诱导会导致神经元死亡,而ISG15特异性shRNA可以恢复Atm基因突变细胞的自噬功能。

        3.3脑外伤

        有研究人员在TBI患者脑脊液及动物模型损伤部位也发现了ISG15的升高。研究人员在21日龄和24日龄小鼠中建立脑外伤模型,发现21日龄小鼠的ISG15在发病后72h达到最高,24日龄小鼠的ISG15在发病后6h达到最高。ISG15可以修饰肌动蛋白,影响细胞的紧密连接而导致生物屏障的破坏。肌球蛋白轻链激酶(myosinlightchainkinase,MLCK)可将肌球蛋白轻链磷酸化,与肌动蛋白结合,减弱细胞紧密连接,影响血脑屏障通透性。

        在TBI模型中,MLCK能够增加小鼠的脑水肿。免疫共沉淀显示ISG15和MLCK能够共定位,说明ISG15有可能通过影响MLCK造成小鼠的脑水肿与血脑屏障破坏。在军队中服役的退伍军人被诊断出肌萎缩性侧索硬化症(Amyotrophiclateralizingsclerosis,ALS)的风险接近60%,而脑外伤是ALS的危险因素。

        研究人员发现,在TBI-ALS患者中,脊髓组织的蛋白ISG修饰增高,但在枕叶中并未观察到类似的现象。ISG修饰可能与患者的疾病发生发展相关,而且在TBIALS患者脑脊液中也发现了ISG15的增高,这可能与ISG15不仅在胞内表达,也可以作为一个分泌蛋白有关,病变部位释放出ISG15,从而作为一个微环境因子进入脑脊液,发挥调控作用,提示脑脊液中的ISG15有可能作为一个损伤的标记物用于临床非感染性脑部疾病的研究。

        3.4脑缺血

        与脑外伤的研究不同,研究人员在脑缺血模型中发现了ISG15的神经保护作用。在成年小鼠短暂性大脑中动脉闭塞模型(Middlecerebralarteryocclusion,MCAO)中,受损皮层组织的ISG修饰明显升高,游离的ISG15和ISG修饰主要表达于梗塞区域中的神经元和星形胶质细胞,而缺乏ISG15或者UbE1L的小鼠在MCAO中显示更大的梗塞面积。虽然ISG15是一个类泛素因子,但是泛素倾向于结合大分子蛋白质,与缺血后耐受相关,而ISG15更倾向于结合中等分子量蛋白,这暗示了ISG15在缺血性卒中的独特生物作用。

4.结语与展望

        ISG15的生物学作用是多样性的,虽然在有一些疾病中能够观察到ISG15的变化以及其可能产生的作用,但如果对其进行干预,是否会引起ISG修饰系统的失衡,从而带来潜在的不利影响,仍不得而知。因此,对ISG修饰的研究,不仅仅要能够观察其生物学作用,而且要补上中间的一环,也即ISG15究竟是修饰到何种蛋白上,从而发挥某种确定的生物学作用。自ISG15发现至今,借助高通量研究技术的发展,已有多种底物被鉴定。对于其底物的研究有助于更完整地理解ISG15及ISG修饰的生物学作用。只有了解其修饰蛋白,对ISG修饰系统的干预才会有更大的概率为疾病的治疗带来获益。

        来源:彭铮,庞骢,李伟,杭春华.ISG15及其介导的ISG修饰在中枢神经系统疾病中的研究进展[J].医学研究生学报,2022,35(10):1105-1110.

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