內質網（endoplasmic reticulum, ER）是真核細胞分泌蛋白和膜蛋白的摺疊工廠。細胞內外環境的變化會引起ER穩態（包括蛋白質穩態、氧化還原穩態和鈣穩態等）失衡。當ER的蛋白質摺疊負擔超過摺疊能力時就會造成ER應激，此時ER膜上的三個跨膜「傳感器」蛋白（IRE1、PERK和ATF6）可啟動一系列從ER到核的信號轉導途徑，從而增強ER蛋白質摺疊能力、停滯大多數蛋白質翻譯過程或加速蛋白質的降解等，這些細胞事件被統稱為未摺疊蛋白質響應（unfolded protein response, UPR）。UPR是從轉錄和翻譯水平來調節ER摺疊能力，具有天然的延遲性。特別是在分泌活動旺盛的細胞中，ER的蛋白質摺疊狀態無時無刻不在發生變化，因此近年來， ER應激的早期調節機制逐漸成為本領域的研究前沿。前期工作中，王志珍院士課題組王磊研究員發現分泌途徑激酶Fam20C能通過磷酸化ER巰基氧化酶Ero1α來維持內質網氧化還原穩態，在低氧脅迫、還原應激以及泌乳過程中發揮重要作用[1]。Fam20C能否在ER應激過程中調節蛋白質穩態尚不清楚。
本工作中，研究人員發現Fam20C缺失能特異增強UPR通路中IRE1信號的上調。通過比較蛋白質組學發現ER應激時Fam20C特異結合併磷酸化ER中負責蛋白質摺疊的蛋白質二硫鍵異構酶（protein disulfide isomerase, PDI）。位於PDI分子x-linker區域的 Ser357是一個關鍵的磷酸化位點。基於課題組前期解析的PDI晶體結構[2]並結合分子動力學模擬、內外源螢光檢測和限制性酶解分析，發現Ser357磷酸化誘導PDI分子呈現開放的構象。有意思的是，該位點的磷酸化使得PDI從一個幫助蛋白質氧化摺疊的氧化還原酶轉變為一個抑制錯誤摺疊蛋白聚集的分子伴侶，即從「Foldase」轉變為「Holdase」。這一功能轉換使PDI在ER 應激條件下得以發揮維持蛋白質穩態和細胞存活的作用。IRE1介導的UPR通路對於細胞命運的『生死抉擇』十分重要，其適度活化能促進細胞存活而過度活化則會引起細胞凋亡。磷酸化的PDI還能直接結合在ER 應激 「傳感器」 IRE1的腔側結構域，抑制其過度活化。研究者進一步在小鼠模型中證實，ER應激時PDI S359A Knock-in小鼠的肝臟表現出更強的IRE1活化水平、更高的促炎和促凋亡信號以及更明顯的肝損傷，說明磷酸化的PDI可抑制IRE1過度活化引起的肝細胞凋亡。
這一研究不僅揭示了細胞通過Fam20C磷酸化PDI來快速靈敏地應對ER應激的新機制，而且發現了PDI是一種新的應激激活的分子伴侶，完美詮釋並豐富了王志珍院士和鄒承魯院士在上世紀90年代提出的「PDI既是酶又是分子伴侶」的科學論斷[3]。該項研究不僅拓展了我們對於ER應激領域的認識，也有望為ER應激相關疾病的研究提供新的生物標誌物和幹預手段。
該項工作在線發表於2020年3月9日的《The EMBO Journal》雜誌（DOI：10.15252/embj.2019103841）。中科院生物物理所王志珍課題組王磊研究員為該論文的通訊作者，博士研究生於嬌嬌和李濤為該論文的共同第一作者。生物物理所王立堃研究員、婁繼忠研究員以及大連化物所劉宇研究員參與了研究工作。該研究也得到北京大學肖俊宇研究員以及生物物理所徐平勇研究員的幫助。生物物理所科學研究平臺為該研究提供了重要的技術支持。該研究受到國家重點研發計劃、國家自然科學基金和中科院青年創新促進會的資助。
圖：Fam20C通過磷酸化PDI誘導其功能轉換來維持內質網蛋白質穩態並緩解內質網應激
文章連結：https://www.embopress.org/doi/10.15252/embj.2019103841
參考文獻：
[1] Zhang J, Zhu Q, Wang X, Yu J, Chen X, Wang J, Wang X, Xiao J, Wang CC, Wang L. Secretory kinase Fam20c tunes endoplasmic reticulum redox state via phosphorylation of Ero1 alpha. EMBO J. 2018, 37:e98699.
[2] Wang C, Li W, Ren J, Fang J, Ke H, Gong W, Feng W, Wang CC. Structural insights into the redox-regulated dynamic conformations of human protein disulfide isomerase. Antioxid Redox Signal. 2013, 19:44-53.
[3] Wang CC, Tsou CL. Protein disulfide isomerase is both an enzyme and a chaperone. FASEB J. 1993, 7:1515-1517.