溶酶體酶PPT1介導的細胞穩(wěn)態(tài)調(diào)控及疾病發(fā)生的研究

發(fā)表時間：2024-01-12

棕櫚酰蛋白質(zhì)硫酯酶1 (palmitoyl protein thioesterase 1，PPT1)是一種溶酶體酶，具有對蛋白質(zhì)行使去棕櫚酰化修飾的功能，在調(diào)控細胞器(如溶酶體、線粒體)功能、脂質(zhì)代謝和Ca2+轉(zhuǎn)運等方面具有重要作用。PPT1在神經(jīng)系統(tǒng)疾病和癌癥的發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮了重要的作用，然而其調(diào)控作用機制仍未被完全闡明。
棕櫚酰蛋白質(zhì)硫酯酶1(palmitoyl protein thioesterase 1，PPT1)在牛腦細胞質(zhì)的研究中首次發(fā)現(xiàn)并被純化出來，PPT1主要定位在溶酶體中，在細胞中行使去棕櫚?；墓δ堋?/span>PPT1可以去棕櫚?；?/span>GAP43 (growth associated protein 43)、PSD-95 (postsynaptic density protein 95)等多個蛋白，影響溶酶體的功能和穩(wěn)態(tài)，表明PPT1在維持溶酶體正常生理功能中具有重要作用。
PPT1與疾病的發(fā)生發(fā)展有著密切的關(guān)系。嬰兒神經(jīng)元蠟樣脂褐素沉積癥(infantile neuronal ceroid lipofuscinosis，INCL)，也被稱為嬰兒巴頓病，是一種罕見的隱性遺傳神經(jīng)退行性疾病，患有INCL的嬰兒一般在18個月左右出現(xiàn)視覺運動缺陷、認知障礙、癲癇發(fā)作等癥狀。研究人員發(fā)現(xiàn)該疾病是由于神經(jīng)元細胞內(nèi)PPT1基因突變導致PPT1功能受損，細胞內(nèi)類脂質(zhì)不能被及時分解，在神經(jīng)元細胞內(nèi)沉積，最終導致神經(jīng)元功能障礙和死亡，造成INCL。此外，PPT1與腫瘤的發(fā)生發(fā)展也密切相關(guān)，在多種腫瘤中都存在PPT1過表達的情況，且高表達的PPT1與腫瘤惡性程度呈正相關(guān)。研究表明抑制PPT1的表達或活性，可以抑制腫瘤細胞的增殖和侵襲，靶向PPT1對多種腫瘤有較強的治療效果。以上研究表明，PPT1是治療INCL和癌癥的有效靶點，因此，研究PPT1在疾病中的作用及機制、研發(fā)靶向PPT1的藥物是未來神經(jīng)性疾病和腫瘤治療的重要方向之一。
PPT1基因定位于人類1號染色體短臂3區(qū)4帶2亞帶(1p34.2)，全長25751 bp。PPT1有19個轉(zhuǎn)錄本，其中最常見的轉(zhuǎn)錄本由9個外顯子組成，外顯子1~8長約70~140 bp，被長短不一的內(nèi)含子間隔開來，最大的外顯子9位于靠近3'端的位置。自然界中存在220個PPT1的直系同源物，在不同的模式生物(秀麗隱桿線蟲Caenorhabditis elegans、擬南芥 Arabidopsis thaliana等)中都能找到PPT1的同源基因。
PPT1蛋白由306個氨基酸組成，分子量約35 kDa，PPT1二聚體采用α/β折疊，包含N端α螺旋、β折疊區(qū)、C端α螺旋等多個重要的結(jié)構(gòu)。N端α螺旋位于PPT1分子的一側(cè)，與另一個亞基的β折疊區(qū)域相互作用，負責PPT1的組裝；β折疊區(qū)包含多個β片層，形成PPT1的主要結(jié)構(gòu)框架；C端α螺旋與連接區(qū)域一起形成了PPT1的另一側(cè)，該側(cè)上的活性位點負責棕櫚酰輔酶A的水解。通過多波長反常衍射相位法(multiwavelength anomalous diffraction，MAD)測定PPT1的晶體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)PPT1晶體結(jié)構(gòu)中的活性位點是由Ser115- His289-Asp233組成的催化三聯(lián)體，Ser115通過其羥基與脂質(zhì)酰基結(jié)合，形成酯鍵從而水解酰基，Asp233的負電荷與Ser115的羥基形成氫鍵，同時能在Ser115和His289之間提供催化作用；His289的環(huán)氨基和Ser115的羥基能夠在催化反應(yīng)中形成過渡態(tài)，穩(wěn)定其催化結(jié)構(gòu)。糖基化是PPT1翻譯后修飾的形式之一，此前在非神經(jīng)元細胞中的研究已證明，PPT1的3個N-糖基化位點的突變會顯著降低其酶活性；研究發(fā)現(xiàn)，PPT1特定的氨基酸殘基位點(天冬酰胺197和232位點)N-糖基化增強了其形成復(fù)合物的能力。蛋白印跡分析表明，PPT1蛋白主要以二聚體或三聚體的形式存在，在去糖基化過程中演變成單個大小29 kDa的蛋白質(zhì)。

PPT1的三級結(jié)構(gòu)

嬰兒神經(jīng)元蠟樣脂褐素沉著癥(INCL)是一種嚴重的神經(jīng)退行性疾病，INCL通常在嬰兒期開始發(fā)作，表現(xiàn)為進行性的神經(jīng)系統(tǒng)退化，這種疾病的典型癥狀是智力和運動能力發(fā)育遲緩、癲癇發(fā)作、視力喪失、肌張力增高、肌肉萎縮以及認知和行為問題等，INCL病理的一個標志是脂褐素的進行性積累，最顯著地存在于神經(jīng)系統(tǒng)中，也存在于其他一些組織中。引起INCL的PPT1突變分布在整個編碼區(qū)，主要是第4外顯子活性位點附近R122W(Arg122Trp)突變和第5外顯子R151*(Arg151STOP)突變，導致PPT1結(jié)構(gòu)的明顯改變，從而影響PPT1的功能，導致溶酶體無法有效降解儲存在神經(jīng)細胞中的脂褐素，最終導致這些儲存物在腦中沉積引發(fā)INCL。
已有的研究表明，PPT1在腫瘤發(fā)生及進展中發(fā)揮重要作用。目前關(guān)于PPT1的研究主要集中在PPT1在不同腫瘤中的表達與腫瘤生長、進展以及預(yù)后之間的關(guān)系，根據(jù)TCGA數(shù)據(jù)庫分析，與配對的正常組織相比，PPT1在11種腫瘤中表達水平顯著升高，并與腫瘤的病理分型、惡性程度、侵襲性和轉(zhuǎn)移等都有相關(guān)性。PPT1異常表達導致mTOR信號通路的過度激活，這種過度激活通過增加蛋白合成、抑制自噬和加快細胞周期進程等方式來促進腫瘤細胞的生長和增殖。研究表明，在口腔鱗狀細胞癌(OSCC)使用erianin (一種天然的聯(lián)芐基化合物，具有抗癌作用)處理之后，觀察到PPT1的表達降低，mTOR與RHEB (ras homolog enriched in brain)的相互作用減少，mTOR的磷酸化減弱，這些結(jié)果提示PPT1可能通過調(diào)節(jié)mTOR與RHEB的相互作用從而調(diào)控mTOR通路。

總之，PPT1在疾病發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要作用，PPT1的突變或者缺失會影響溶酶體的功能并造成脂褐素等物質(zhì)在神經(jīng)細胞中積累，最終導致神經(jīng)系統(tǒng)的退化和損傷，引發(fā)神經(jīng)退行性疾病，如INCL等。PPT1過表達會保護細胞免于細胞死亡，促進腫瘤發(fā)生，而反義PPT1增加細胞死亡抑制腫瘤的發(fā)生。

PPT1功能缺失導致多種疾病發(fā)生

迄今為止，對于PPT1在胞內(nèi)的轉(zhuǎn)運、代謝、相互作用等一系列生理生化過程的研究仍有限，從已有的研究來看，PPT1不僅在維持細胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮重要作用，且在神經(jīng)退行性疾病以及腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中也起到了重要作用。但對于PPT1的具體調(diào)控機制以及靶向PPT1的酶激活劑、抑制劑等方面的研究還有待進一步的加強。PPT1介導的去棕櫚酸化及溶酶體功能調(diào)控在疾病，尤其是腫瘤發(fā)生發(fā)展中的功能及機制還需進一步研究，利用小鼠等模型動物探討PPT1突變介導的溶酶體功能失調(diào)在不同腫瘤發(fā)生中的作用及機制是重要的研究方向之一。基于PPT1在腫瘤中高表達并促進其發(fā)生發(fā)展的重要作用，因此未來開發(fā)靶向PPT1的干預(yù)措施，能為疾病的治療提供可靠的策略。
參考文獻

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Xinyi Zhou, Dong Chang, Huangying Xu, Ruiqi Guan, Chenghao Yan, Qiuyuan Yin, Jianwei Sun. Progress on lysosomal PPT1-mediated regulation of cellular homeostasis and pathogenesis. Hereditas(Beijing)[J], 2023, 45(10): 874-886 doi:10.16288/j.yczz.23-186

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