内质网膜错误折叠蛋白的泛素化降解机制

Endoplasmic Reticulum (ER) protein homeostasis (ER proteostasis) depends on the balance between protein syntheses and prompt degradation of misfolded proteins, and has emerged as a new perturbation site for treatment of cell malignancies. Under proteotoxic stress, misfolded proteins in the ER need to be retrotranslocated into the cytoplasm for ubiquitination and elimination, which is called ER-associated degradation (ERAD). A surprising paradox emerging from recent studies is that ubiquitin ligases (E3s) and deubiquitinases (DUBs), enzymes with opposing activities, can both promote ERAD. Previously, we have demonstrated that in ERAD, ubiquitination can occur on a machinery protein due to promiscuous actions of an E3, and a de-ubiquitinase is responsible for removing the ubiquitin conjugates. Based on these results, our future work will primarily focus on understanding how functional interplays between DUBs and E3s regulate protein homeostasis to affect human development and diseases. We will mainly focus on three aspects: 1) Explore the function of a gp78-associated E3 Lunapark in ER homeostasis regulation. 2) Dissect the functional interplays between USP13 and gp78 and their role in apoptosis regulation. 3) Functional analysis of deubiquitinase in autophagy. The characterization of the above three mechanism will contribute to our understanding of how cells preserve ER proteostasis and how we may harness the information to develop new therapeutics for cancers and degenerative diseases.

内质网蛋白质内稳态的必要条件是蛋白的组装与蛋白的降解维持在平衡的状态，打破这个平衡会导致细胞的变异和癌症的发生。异折叠蛋白的累积会启动内质网关联的降解途径，用于及时把异折叠蛋白反转运至细胞质中进行泛素化修饰和清除。在泛素依赖的降解体系中，去泛素化酶的作用通常是逆向调节泛素链的形成从而抑制底物的降解。我们前期的研究发现在内质网关联的降解途径中，一对泛素连接酶/去泛素化酶共同调控此途径的一个功能蛋白泛素化状态用以保证蛋白降解的顺利进行。基于此，本项目将从三个方面进一步探索泛素化酶/去泛素化酶如何协同作用维持内质网蛋白质内稳态。1）与gp78结合的一个泛素连接酶在维持内质网内稳态中的功能。2）分析gp78和USP13的协同作用及它们在细胞调亡调节中的作用。3）筛查参与自噬降解途径的去泛素化酶。以上课题旨在阐释各泛素修饰酶在蛋白质质量控制中的协同作用机制，为相关疾病的治疗提供理论依据。

内质网关联蛋白质降解是保证真核细胞蛋白质质量控制的重要机制，它能及时发现内质网内的异折叠蛋白质并反转运至细胞质中进行泛素化修饰和清除。遗传或后天的原因会引发细胞内错误折叠蛋白的累积并导致神经退行性疾病或者癌症的产生。已知的参与错误折叠蛋白降解的途径包括泛素蛋白酶体途径，自噬途径和溶酶体途径。本项目从三个方面探索了在不同的降解途径中泛素相关酶如何协同作用维持内质网内稳态，揭示了蛋白质质量控制机制在维持机体生理功能中的重要作用。1）与泛素连接酶gp78结合的另一个泛素连接酶在维持内质网内稳态中的功能。2）分析泛素连接酶gp78和去泛素化酶USP13的协同作用及它们在细胞调亡调节中的作用。3）筛查参与自噬降解途径的去泛素化酶。.在方向（1）中，我们解析了与gp78结合的内质网膜结构蛋白Lunapark的功能，我们发现其能够作为一个泛素连接酶参与内质网三叉路口的形成。我们同时也发现内质网膜泛素连接酶Hrd1能够通过泛素化修饰内质网结构蛋白Atlastin来调节其GTP酶活性，由此确立了内质网膜的形态建成和它的降解功能之间的相关性。在方向（2）中，我们分析了gp78和USP13这一组泛素连接酶和去泛素化酶在调节细胞自噬和凋亡中的作用。我们发现gp78和USP13能够通过调节Caspase酶活性来控制分子伴侣蛋白Bag6的切割，进而由Bag6对自噬蛋白LC3的酯化水平进行调控，以决定细胞是进入凋亡还是自噬，来控制细胞命运。在方向（3）中，我们通过过表达去泛素化酶文库筛选到多个参与调控自噬途径的基因。我们发现去泛素化酶OTULIN和泛素连接酶复合物LUBAC能够协同作用来调控自噬小体的生成。我们也筛选到另一个基因UCHL1也能影响自噬流的变化。.通过上述工作，我们鉴定了多个在蛋白质质量控制中起重要作用的蛋白酶。揭示这些泛素调节系统的机制，对于及时有效地去除生物体内的错误折叠蛋白，维持细胞内稳态具有非常重要的生理意义，并为靶向治疗各种神经退行性疾病和癌症提供理论依据。