EMBO Reports|蒋辉实验室揭示UBXD8调控凋亡和线粒体自噬的分子机制

线粒体外膜是线粒体与外界接触和交流的主要场所，调控代谢、凋亡、线粒体动态平衡、线粒体自噬等重要生理功能。外膜蛋白质组稳态维持对线粒体健康至关重要。ATP水解酶VCP是线粒体外膜蛋白降解过程中的关键酶。通常而言，泛素化的线粒体外膜蛋白会被VCP从膜上抽离出来，然后呈递给蛋白酶体进行降解。VCP突变导致严重的线粒体结构和功能损伤，并导致脊髓侧索硬化(ALS)和伴有佩吉特氏病的骨骼肌病和额颞痴呆(IBMPFD)等退行性疾病。尽管VCP对线粒体蛋白稳态至关重要，但在哺乳动物细胞中，VCP如何被招募到线粒体上发挥功能仍不清楚。

北京生命科学研究所/清华大学生物医学交叉研究院蒋辉实验室之前的研究报道了多条线粒体外膜蛋白降解通路 ADDIN EN.CITE ADDIN EN.CITE.DATA [1-4]。这些通路调控了线粒体与内质网互作，抵抗氧化胁迫等重要功能。2022年8月19日，蒋辉实验室在EMBO Reports杂志上发表了题为“UBXD8 mediates mitochondria-associated degradation to restrain apoptosis and mitophagy”的研究论文。该研究发现UBXD8是线粒体和内质网双重定位的VCP衔接蛋白,负责招募VCP到线粒体和内质网。UBXD8-VCP复合物介导了多个BH3-only蛋白的降解，包括促凋亡蛋白Noxa和线粒体自噬受体Bnip3，从而抑制细胞凋亡和线粒体自噬。

UBXD8是一个已知的VCP衔接蛋白,它通过N端的UBA (ubiquitin-associated)结构域结合泛素化修饰的底物，通过C端的UBX (ubiquitin regulatory X)结构域结合VCP,从而将底物呈递给VCP。之前的众多研究表明UBXD8定位在内质网和脂滴上调控蛋白降解。在研究线粒体蛋白降解途径的过程中，蒋辉实验室发现UBXD8经常与泛素化的线粒体蛋白一起共纯化出来，怀疑UBXD8与线粒体蛋白降解有未被报道的密切关系。

研究生郑静采用了多重手段，包括在内源UBXD8上敲入FLAG标签和用UBXD8抗体染色等方法，证明内源UBXD8在不同细胞系中都有显著的线粒体和内质网双重定位。并且，敲除UBXD8导致线粒体和内质网上的VCP含量下降一半以上，提示UBXD8是招募VCP到线粒体和内质网的关键蛋白。接下来作者发现UBXD8与线粒体和内质网上的E3泛素连接酶形成复合物并介导一些已知VCP底物的降解，如内质网上的Insig1和线粒体上的MiD49和Mcl1。有意思的是，作者发现一个只定位于内质网的VCP衔接蛋白UBXD2也参与线粒体蛋白MiD49的降解，提示内质网上的UBXD2-VCP复合物可以跨膜降解线粒体底物。因此作者进一步构建了只定位于线粒体或内质网的UBXD8突变体，发现任意一种单定位的UBXD8突变体都能介导线粒体和内质网上的底物降解。这些结果表明线粒体与内质网的蛋白降解系统具有一定的冗余和互补性，可能与线粒体和内质网之间存在直接接触(contact site)相关。

因为UBXD8敲除会延缓著名的抗凋亡蛋白Mcl1的降解，作者预期UBXD8缺失的细胞会抵抗凋亡的发生。但测试了多种线粒体应激条件后，作者发现UBXD8缺失的细胞对多种线粒体功能损伤敏感，尤其是对化疗药物Doxirubicin和Actinomycin D诱导的细胞凋亡敏感。作者检验凋亡相关蛋白后发现UBXD8敲除导致促凋亡的BH3-only蛋白Noxa、Bnip3和Bik的显著积累，并确认了这些蛋白依赖UBXD8-VCP进行降解。通过这三个新底物的单独和组合敲除实验，作者发现Noxa的积累导致UBXD8敲除细胞对凋亡敏感。Bnip3虽然对凋亡的表型贡献较小，但它是个已知的线粒体自噬受体，介导缺氧诱导的线粒体自噬。作者发现Bnip3在UBXD8敲除细胞中的积累导致了线粒体自噬水平的异常上升。

值得一提的是在本研究进行期间，Nature杂志的一篇论文报道UBXD8在酵母中的同源蛋白Ubx2具有线粒体和内质网的双重定位；Ubx2与线粒体TOM复合物结合并介导前体蛋白的降解 ADDIN EN.CITE ADDIN EN.CITE.DATA [5]。作者发现在哺乳动物细胞中，UBXD8也与TOM复合物结合但几乎不参与前体蛋白的降解，与酵母有显著区别。

综上所述，该研究发现UBXD8是招募VCP到线粒体和内质网的关键蛋白，揭示了线粒体和内质网蛋白降解通路的互补性，并阐明了UBXD8对凋亡和线粒体自噬的调控作用(图1)。

图1. UBXD8介导线粒体和内质网蛋白降解，抑制凋亡和线粒体自噬的模式图

北京生命科学研究所与北京大学联合培养的博士生郑静为该论文的第一作者，蒋辉博士为通讯作者。该论文其他作者还包括蒋辉课题组的曹钰和杨俊。

ADDIN EN.REFLIST 1.          Wu, X., L. Li, and H. Jiang, Doa1 targets ubiquitinated substrates for mitochondria-associated degradation. Journal of Cell Biology, 2016. 213(1): p. 49-63.

2.          Wu, X., L. Li, and H. Jiang, Mitochondrial inner-membrane protease Yme1 degrades outer-membrane proteins Tom22 and Om45. Journal of Cell Biology, 2018. 217(1): p. 139-149.

3.          Li, L., et al., Mitochondrial AAA-ATPase Msp1 detects mislocalized tail-anchored proteins through a dual-recognition mechanism. EMBO reports, 2019. 20(4): p. e46989.

4.          Zheng, J., L. Li, and H. Jiang, Molecular pathways of mitochondrial outer membrane protein degradation. Biochem Soc Trans, 2019. 47(5): p. 1437-1447.

5.          Martensson, C.U., et al., Mitochondrial protein translocation-associated degradation. Nature, 2019. 569(7758): p. 679-683.