USP18介導(dǎo)的蛋白質(zhì)在結(jié)核病等傳染病中的作用機(jī)制及臨床研究

發(fā)表時(shí)間：2024-01-17 訪問次數(shù)：995

摘要：USP18介導(dǎo)的去ISG化(deISGylation)建立的動(dòng)態(tài)平衡對(duì)結(jié)核病的發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)歸有重要影響。

干擾素誘導(dǎo)基因15 (interferon-stimulated gene 15，isg15)的表達(dá)受Ⅰ型干擾素誘導(dǎo)，該基因編碼的蛋白ISG15可以分別通過E1、E2和E3酶的作用共價(jià)修飾靶蛋白，此過程被稱為ISG化(ISGylation)。宿主蛋白的ISG化廣泛參與天然免疫例如宿主的抗病毒過程。泛素特異性蛋白酶18 (ubiquitin-specific protease 18，USP18)作為一種去泛素化酶(deubiquitinase，DUB)可以去除靶蛋白偶聯(lián)的 ISG15，并通過抑制Ⅰ型干擾素信號(hào)通路來抑制宿主的免疫應(yīng)答。

泛素特異性蛋白酶18 (ubiquitin-specific protease 18 ，USP18)和干擾素誘導(dǎo)基因15 (interferonstimulated gene 15，isg15)介導(dǎo)的ISG化修飾是機(jī)體參與抗病原微生物感染的重要組分。越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，靶向ISG15和USP18及其底物的蛋白質(zhì)翻譯后修飾有望開發(fā)成為新型抗感染治療的策略之一。
USP18是一個(gè)大小約 43 kDa的特異性蛋白酶，ISG15和USP18均可被干擾素(interferon，IFN)誘導(dǎo)。通過比較人類(Homo sapiens)、家鼠(Mus musculus)、家牛(Bos taurus)、野豬(Sus scrofa)、羅伯羅夫斯基倉鼠(Phodopus roborovskii)、綠頭鴨(Anas platyrhynchos)等物種中USP18的氨基酸序列，發(fā)現(xiàn)不同物種中的 USP18 具有高度的同源性。USP18在不同物種中都含有高度保守的序列，該保守序列包括半胱氨酸殘基和組氨酸殘基位于 USP18 的活性中心，這也是 USP家族蛋白酶所特有的結(jié)構(gòu)。

USP18蛋白在不同物種中保守

ISG15 能夠參與并激活多種信號(hào)通路，發(fā)揮抗病毒免疫的功能，與之相反，USP18會(huì)限制NF-κB、JNK和NFAT等通路的激活，負(fù)調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)，調(diào)節(jié)T淋巴細(xì)胞和輔助性T細(xì)胞的活化。USP18在Ⅰ型IFN中的作用下依賴于α/β干擾素受體2 (interferon alpha/beta receptor 2，IFNAR2)，并負(fù)調(diào)控Ⅰ型IFN信號(hào)通路。USP18可以切割ISG15與靶蛋白之間的異肽鍵，還
能在結(jié)合后立即切割ISG15的LRLRGG序列，在由ISG15前體加工為成熟的ISG15過程中發(fā)揮重要作用。鑒于ISG15和USP18在介導(dǎo)宿主蛋白泛素化和去泛素化以及免疫應(yīng)答中的重要作用，來自西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院現(xiàn)代生物醫(yī)藥研究所的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)ISG15和USP18及其突變體在結(jié)核分枝桿菌(Mycobacterium tuberculosis，Mtb)等感染免疫應(yīng)答中的作用機(jī)制進(jìn)行解讀，并探討了其作為治療靶點(diǎn)的潛力。

ISG15特異性蛋白酶——USP18
蛋白去泛素化是由一組去泛素酶(deubiquitinase，DUB)介導(dǎo)的泛素化的反向過程。DUB家族有90多個(gè)成員。泛素特異性蛋白酶USP18和USP20屬于DUBs的USP亞家族，并介導(dǎo)靶蛋白的去泛素化。USP20靶向多種蛋白質(zhì)底物，包括HIF1α、β-腎上腺素能受體、TNF受體關(guān)聯(lián)因子6(TNF receptor associated factor 6，TRAF6)和Claspin，通過去泛素化調(diào)節(jié)Toll樣受體4(toll-like receptor 4，TLR4)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和DNA損傷修復(fù)。USP18最初被鑒定為DUB，后來被發(fā)現(xiàn)也具有去ISG化酶活性，因?yàn)樾∈笾?/font>USP18缺失或非活性突變體usp18C61A會(huì)導(dǎo)致高水平的ISG化。此外，USP18在ISG15前體加工產(chǎn)生成熟的 ISG15 分子過程中也發(fā)揮作用，但在 USP18缺陷小鼠中，ISG15前體也能被加工成其成熟形式，重組ISG15前體可以被II型肺泡上皮細(xì)胞A549的一種大小100 kDa的酶正確加工，且該酶是酵母泛素特異性肽酶 1(ubiquitin-specific protease，USP1)同源物，活性不受I型IFN刺激的影響。這提示除USP18 之外，還有其他 ISG15 特異性蛋白酶。
一些E2和E3酶在ISG15化和泛素化過程中的功能具有重疊，也意味著存在可以作為ISG15 特異性蛋白酶的多功能 DUB，包括 USP2、USP5、USP13 和 USP14 在內(nèi)的幾種 DUB 都被認(rèn)為是ISG15 特異性蛋白酶的候選物。但是，小鼠中USP18基因的缺失會(huì)導(dǎo)致組織中ISG15 結(jié)合物大量增加，而不會(huì)影響泛素結(jié)合物的水平，這表明USP18是ISG15特異性蛋白酶，可將ISG15從靶蛋白上去除。

ISGylation 過程

ISG15前體經(jīng)ISG15加工酶變成ISG15，分別與E1、E2、E3泛素酶結(jié)合，將ISG15結(jié)合在靶蛋白上，USP18能夠從靶蛋白上去除ISG15，發(fā)揮去ISG化功能。
USP18的表達(dá)主要受I型IFN誘導(dǎo)，而這種誘導(dǎo)需要通過JAK/STAT信號(hào)通路的作用。干擾素
β (interferon-beta，IFN-β)比干擾素 α (interferon-alpha，IFN-α)和雙鏈 RNA (double strand RNA，dsRNA)誘導(dǎo)USP18的作用更強(qiáng)，但干擾素γ (interferon-gamma，IFN-γ)幾乎沒有誘導(dǎo)作用。USP18也可被脂多糖(lipopolysaccharide，LPS)誘導(dǎo)。干擾素調(diào)節(jié)因子2(interferon regulatory factor 2，IRF2)和干擾素調(diào)節(jié)因子3 (interferon regulatory factor 3，IRF3)都是LPS應(yīng)答所必需的，LPS通過IRF3上調(diào)USP18，而IRF2可將其降至基礎(chǔ)水平。在各種造血細(xì)胞系中，單核
細(xì)胞和巨噬細(xì)胞系能夠高水平表達(dá)USP18。Skp2 (S-phase kinase associated protein 2)是S期激酶相關(guān)蛋白，屬于F-box蛋白家族，在蛋白泛素化降解過程中可作為 Skp1-Cul1-F-box(SCF)蛋白復(fù)合物的重要成分識(shí)別底物蛋白，通過降解細(xì)胞周期調(diào)節(jié)蛋白而調(diào)控細(xì)胞周期。USP18 是Skp2的底物，Skp2促進(jìn)USP18的泛素化和隨后的蛋白酶體降解。這表明SCF-Skp2可能通過控制USP18的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)I型IFN信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。然而，有大量基因例如急性髓系白血病(acute myeloid leukemia，AML)融合基因AML1-ETO誘導(dǎo)USP18上調(diào)的機(jī)制尚待研究。

USP18負(fù)調(diào)節(jié)先天免疫反應(yīng)
ISG15和USP18在宿主對(duì)病毒感染的反應(yīng)中起著重要作用。在I型IFN處理后，與野生型細(xì)胞相比，usp18C61A細(xì)胞對(duì)B型流感病毒感染有更強(qiáng)的抵抗力，而病毒在isg15缺失的 usp18C61A 細(xì)胞中可完全恢復(fù)復(fù)制能力。除了其酶功能外，USP18還負(fù)調(diào)控I型IFN信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，與Janus激酶(janus kinase，JAK)競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合IFNAR2。因此，與野生型細(xì)胞相比，用I型IFN 處理usp18−/−細(xì)胞導(dǎo)致信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)轉(zhuǎn)錄激活因子 (signal transducers and activators of transcription 1，STAT1)磷酸化增加且持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，增強(qiáng)ISG化，并促進(jìn)細(xì)胞凋亡。這與抑制USP18可增強(qiáng)HepG2.2.15細(xì)胞中IFN-α 的抗乙型肝炎病毒(hepatitis B virus，HBV)活性這一結(jié)論相吻合。

ISG15的類泛素化修飾介導(dǎo)抗病毒免疫

模式識(shí)別受體如RIG-I在先天免疫細(xì)胞中表達(dá)，招募接頭分子IPS-1，進(jìn)而觸發(fā)MAVS-TBK1-IRF3 通路等信號(hào)通路的激活，ISG15能夠靶向并參與修飾一系列重要的抗病毒蛋白，如STAT1、IRF3、RIG-I等，病毒感染過程中ISG15介導(dǎo)的ISGylation以及與底物的結(jié)合能夠使宿主發(fā)揮抗病毒反應(yīng)，同時(shí)USP18將負(fù)調(diào)控某些抗病毒蛋白的表達(dá)。

USP18先天缺失與相關(guān)疾病
USP18基因的缺失使細(xì)胞內(nèi)的IFN水平失調(diào)，一方面可能會(huì)導(dǎo)致個(gè)體出現(xiàn)先天致死，但另一方面也能夠增強(qiáng)癌癥患者或病毒感染患者的免疫應(yīng)答，促進(jìn)癌癥治療和病毒清除。
ISG15缺失的個(gè)體易患孟德爾遺傳易感性的分枝桿菌病(mendelian susceptibility to mycobacterial disease，MSMD)，這是因?yàn)槿笔?/font>ISG15會(huì)觸發(fā)T細(xì)胞和自然殺傷細(xì)胞(natural killer cell，NK)產(chǎn)生過量的IFN-γ。USP18小鼠更容易感染Mtb，肺和脾臟中的細(xì)菌數(shù)量增加，
炎性細(xì)胞因子升高，肺部病變更嚴(yán)重。

蛋白質(zhì)泛素化修飾是感染免疫的重點(diǎn)研究對(duì)象之一，去泛素酶USP18是維持細(xì)胞中ISG15共價(jià)修飾蛋白質(zhì)的動(dòng)態(tài)平衡和功能的關(guān)鍵，在DNA/RNA病毒感染期間調(diào)節(jié)病毒復(fù)制、聚集以及對(duì)宿主的易感性。HBV等病原可以逃避宿主模式識(shí)別受體的識(shí)別、抑制下游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，調(diào)控宿主 USP18 等去泛素化酶活性而干擾IFN信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，最后逃避免疫清除。
因此針對(duì)DUBs尤其是USP18在患者中的異常表達(dá)及其調(diào)控因子研發(fā)新的靶向藥物，將有助于開發(fā)新的抗感染工具。

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