撰文 | 格格
活性氧（ROS） 既是細胞代謝的副產物，也是重要的訊號分子。適量的ROS參與細胞增殖、細胞死亡和細胞訊號傳導等生理過程。然而，過量的ROS會引起氧化應激，損害細胞結構和功能，導致疾病【1】。細胞透過抗氧化防禦機制對抗過量的ROS，例如透過KEAP1-NRF2訊號通路啟用抗氧化酶的產生【2】。然而，持續的抗氧化訊號通路會導致ROS水平下降至基線以下，從而觸發還原性應激，損害細胞功能。細胞透過還原性應激響應來對抗ROS水平的下降，該通路依賴於E3連線酶CUL2-FEM1B homolog B (CUL2FEM1B)【3-4】。CUL2FEM1B透過泛素化FNIP1來感知低ROS水平，並促進線粒體呼吸以補充ROS。然而，CUL2FEM1B在細胞中的定位及其如何感知ROS水平下降，CUL2FEM1B的底物以及如何調節線粒體功能，CUL2FEM1B如何參與線粒體蛋白輸入過程目前還是不清晰的。
2024年12月5日，來自美國加州大學伯克利分校分子與細胞生物學系的Michael Rape研究團隊在Molecular Cell雜誌上發表題為Reactive oxygen species control protein degradation at the mitochondrial import gate的研究論文，該研究揭示了ROS在控制線粒體蛋白降解和維持線粒體功能中的關鍵作用。
首先，研究人員透過顯微鏡觀察發現，FEM1B與線粒體外膜蛋白 （OMM） TOM20有共定位，並富集於富含線粒體的膜組分中。蛋白酶K處理實驗顯示，FEM1B、CUL2和FNIP1與線粒體外膜相關，而線粒體內腔 （IMS） 成分 MIA40 和線粒體內膜 （IMM） 蛋白HCCS則不受影響，這表明CUL2FEM1B定位線上粒體外膜上，而線粒體是電子傳遞鏈過程產生ROS的主要場所。進一步研究發現，CUL2FEM1B的底物FNIP1也定位於線粒體，並富集於TOM22複合物中。這些結果表明CUL2FEM1B定位於線粒體外膜並感知ROS。
透過構建包含FNIP1降解結構域的報告器，並使用流式細胞術監測其穩定性，研究人員發現線粒體FNIP1報告器的降解效率高於其細胞質或內質網中的類似報告器。這表明還原性壓力訊號線上粒體上發生，並透過CUL2FEM1降解FNIP1來調節線粒體蛋白轉運。進一步研究發現，CUL2FEM1的缺失或突變會導致FNIP1穩定性增加，從而抑制線粒體蛋白轉運。
為了驗證還原性壓力響應是否感知線粒體產生的ROS，研究人員透過刪除抗氧化蛋白延長 ROS持續時間，並使用流式細胞術監測FNIP1的穩定性。研究人員發現刪除SOD1或其伴侶CCS會強烈穩定線粒體FNIP1報告器和內源性FNIP1。這表明還原性壓力響應監測進入 IMS的ROS，並由SOD1控制。此外，研究人員發現SOD1在IMS和細胞質中都起作用，但它的刪除對細胞質FNIP1報告器的穩定性影響很小。這進一步支援了SOD1在IMS中控制ROS的作用。
研究人員發現過表達FEM1B會抑制線粒體轉運，而CUL2FEM1的底物積累在TOM22上會抑制線粒體轉運，從而降低ETC成員的生物發生。刪除TOM20也會干擾FNIP1的降解，而回補野生型TOM20可以挽救這一點。C-end 規則報告器表現出相反的行為，如果表達細胞質 TOM20，則會更快地降解。因此，CUL2FEM1線上粒體上優先降解 FNIP1。此外，研究人員還發現CUL2FEM1的區域性降解調節了線粒體活性：只有野生型 FEM1B，而不是TOM20結合缺陷型FEM1B，才能挽救DFEM1B細胞中觀察到的線粒體碎片化。L18/L25的突變也損害了 FEM1B誘導的 ROS 產生。因此，CUL2FEM1必須結合TOM複合物才能有效地降解FNIP1並誘導ROS。還原性壓力訊號依賴於連線細胞質和線粒體IMS的膜通道中的區域性蛋白降解。
CUL2FEM1透過與TOM20結合，招募其底物FNIP1到TOM複合體上，並透過區域性蛋白降解來調節線粒體蛋白轉運。當ETC活性低時，CUL2FEM1的底物被降解，從而允許更多的蛋白進入線粒體，包括ETC複合體IV的組裝因子和輔酶 Q 的合成酶。相反，當ETC活性過高時，CUL2FEM1的底物被穩定，從而限制蛋白進入線粒體，包括ETC複合體IV的組裝因子和輔酶Q的合成酶。這種調節機制對於維持線粒體功能和氧化磷酸化至關重要。此外，研究人員發現，異常ROS會干擾CUL2FEM1的活性，從而抑制線粒體蛋白降解和轉運，這可能是線粒體功能障礙的病理機制。
圖1 活性氧訊號調控線粒體蛋白輸入，維持細胞穩態
總之，該研究揭示了線粒體TOM複合體在調節線粒體蛋白轉運中的關鍵作用，並發現線粒體中低水平的ROS透過E3連線酶CUL2FEM1B來控制蛋白降解，從而維持線粒體功能，並使細胞能夠根據代謝需求調整其電子傳遞鏈。該發現為理解ROS在細胞穩態和能量代謝中的重要性提供了新的見解，併為開發針對線粒體功能障礙的療法開闢了新的途徑。
https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(24)00909-2
製版人：十一
參考文獻
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