蛋白酶体激活因子PA200促进神经毒性蛋白降解的作用及机制研究

Disorder of Protein degradation and the ubiquitin-proteasome system may result in many human diseases, including the neurodegenerative diseases that present the accumulation of neurotoxic proteins with disordered structural features, and the accumulation of one class of neurotoxic protein has the effect of causing aggregation of other neurotoxic proteins. In our recent study, we found that the proteasome activator PA200 (mammal)/Blm10 (yeast), not the major proteasome activator 19S, could accelerate the degradation of Htt neurotoxic protein in Huntington's disease; Htt aggregation was found increased in PA200 knockdown or Blm10 knockout cells. Based on our previous findings, this project would explore if PA200 could be involved in specifically accelerating the degradation of a variety of neurotoxic proteins. Via the cell molecular biology and biochemistry techniques, we will determine how PA200 specifically recognize and recruit the neurotoxic proteins; illustrate the molecular mechanism by which PA200 promotes the degradation of various neurotoxic proteins; analyze the localization of PA200 in condition of neurotoxic proteins aggregation and the expression profile of PA200 to better understand PA200 physiological functions. The successful implementation of this project will provide new possible ways and directions for the prevention or improvement of the treatment of neurodegenerative diseases.

蛋白质降解和蛋白酶体通路紊乱与包括神经退行性疾病在内的许多人类疾病密切相关。不同类型的神经退行性疾病中存在一些具有无序结构特征的神经毒性蛋白的聚集，且一类神经毒性蛋白的堆积会引发其他类神经毒性蛋白聚集的效应。我们的前期研究发现蛋白酶体激活因子PA200（哺乳动物）/Blm10（酵母），而不是最常见的激活因子19S，能加速降解亨廷顿病的Htt神经毒性蛋白；PA200敲低或Blm10敲除的细胞内发现Htt聚集增加。鉴于此，本项目拟探讨PA200是否可以特异性地加速多种神经毒性蛋白的降解。通过细胞分子生物学和生物化学方面等的技术明确PA200特异性地识别和招募多种神经毒性蛋白；阐明PA200促进降解各类神经毒性蛋白的分子机制；并分析PA200在神经毒性蛋白聚集时的定位和基因表达谱来进一步探究PA200的生理功能。本课题的顺利实施，将会为预防或改善神经退行性疾病的治疗提供新的可能的途径和方向。

蛋白酶体在神经毒性蛋白降解中的作用是一个广泛研究的领域。通过蛋白酶体激活因子改变或提高蛋白酶体的活性可能提供一种可能的策略来加速神经毒性蛋白的降解并减少有毒聚集体的形成。在本课题实施期间，通过FoldIndex分析蛋白结构发现，文献已报道的蛋白酶体激活因子Blm10/PA200作用的大部分蛋白都具有无序结构特征，如线粒体分裂蛋白Dnm1，核糖体合成蛋白Sfp1，组蛋白H2B，亨廷顿病神经毒性蛋白Htt，阿尔茨海默病神经毒性蛋白tau，以及这些蛋白的的等位点。由此提示了Blm10/PA200对无序结构特征神经毒性蛋白作用的重要性的假说。为了验证这一假说，体外蛋白降解实验的实施发现Blm10/PA200可以加速帕金森神经毒性蛋白α-synuclein和亨廷顿病神经毒性蛋白Htt的降解，并且这些降解过程不依赖ATP和泛素化。进一步地又发现，经典的激活因子不能加速这些神经毒性蛋白的降解。因此提示了蛋白酶体激活因子Blm10/PA200能特异性的加速多种神经毒性蛋白的降解。在进一步的机制研究中，发现Blm10/PA200的Bromo结构域参与加速神经毒性蛋白的降解，而且Blm10/PA200与解聚酶Hsp104互相调控参与神经毒性蛋白的降解，细胞内神经毒性蛋白的聚集的大小和数量随着PA200的缺失而增多。因此提示Blm10/PA200 蛋白酶体激活因子家族将可溶性、非泛素化神经毒性蛋白，如N-Htt polyQ 重复序列靶向蛋白酶体降解，并可能有助于延迟有毒聚集体的形成，有助于在细胞后期达到溶解度阈值。本课题的数据有助于进一步阐明 Blm10/PA200-蛋白酶体通路并识别新的底物，此外强调了蛋白酶体激活因子通过增强蛋白酶体活性可减少神经毒性蛋白的积累并减弱退行性神经疾病中的细胞毒性，为神经退行性疾病的防治提供新的线索及理论基础。