细胞应激管理失调是应激的来源

生物体的基本特征之一是适应能力，当遇到外来伤害或胁迫时，具有根据伤害调整自己的基本潜力。当外来伤害消失后，生物体需要及时撤除这种调整。细胞面对外来压力也存在类似的模式，这种过程被称为应激管理系统。但是如果细胞的应激管理失调，本身也会带来新的内生性应激，导致细胞出现功能紊乱甚至死亡。本研究结果发现，神经退行性疾病所以会出现神经元损失，可能是因为蛋白聚集导致应激反应退出机制失效，无法终止细胞应激反应，导致细胞损伤和死亡。逻辑上控制应激就可以解决细胞死亡的后果，当然如果能启动这种终止过程也是好策略。

Haakonsen, D. L. et al. Stress response silencing by an E3 ligase mutated in neurodegeneration. Nature 626, 874–880 (2024).

细胞依靠被称为应激反应的信号通路来检测和缓解有害情况，包括蛋白质聚集。蛋白质聚集是几种神经退行性疾病的标志，但它们如何杀死神经元仍不清楚。进化上保守的酶UBR4将蛋白质泛素的链附着到聚集的蛋白质上，标记它们以便通过蛋白降解机器——蛋白酶体快速清除。UBR4基因的突变会导致遗传性早发痴呆症。UBR4限制聚集蛋白的积累，其功能障碍会引起蛋白质聚集疾病。基于这些观察，我们提出发现对细胞生存重要的、且需要UBR4持续功能的细胞通路可能会揭示蛋白质聚集物如何杀死细胞并推动神经退行性疾病的发展。这些洞见可能会促进开发更有效的方法来治疗这些日益普遍的病理。

为了理解UBR4如何确保细胞存活，我们使用了一种基于合成致死性的筛选方法，这是指两个基因之间的关系，其中两个基因都丢失会导致死亡，但单独丢失其中一个则不会。因此，我们寻找当删除时会消除没有UBR4的细胞（UBR4突变细胞），而不会影响野生型细胞的基因。这个筛选揭示了当细胞无法将新合成的蛋白质导入线粒体（产生能量的细胞内器官）时，UBR4是必不可少的。在这种情况下，细胞激活了一个应激反应，该反应降低蛋白质合成以避免错误定位的线粒体蛋白质的积累，从而形成有害的聚集物。使用生化方法，我们发现UBR4作为一个大型酶复合体——综合应激反应的沉默因子（SIFI）——的一部分，通过分解线粒体输入应激反应的组成部分。因此，SIFI复合体关闭（沉默）了线粒体输入应激反应。

图 1 | 应激反应沉默的调节。a，野生型（WT）细胞和删除了UBR4的细胞（∆UBR4）暴露于由奥利霉素（OM）诱导的线粒体应激。在几个时间点检测线粒体输入应激的感应蛋白（切割的DELE1）、激活应激反应的激酶（HRI）和UBR4的存在，使用免疫印迹法。磷酸化的HRI（磷酸-HRI）是活性激酶。为了监控蛋白质稳定性，使用环己酰亚胺停止信使RNA翻译；因此，不会产生新蛋白质。UBR4标记DELE1和HRI以进行蛋白酶体降解。微管蛋白被用作样品加载控制。b，应激反应沉默对细胞存活是必需的。∆UBR4和WT细胞的混合群体暴露于通过耗尽蛋白质TIMM8A引起的线粒体输入应激，单独或结合耗尽DELE1或HRI。∆UBR4与WT细胞比例的左移表明∆UBR4细胞不能在存在线粒体输入应激的情况下存活，但当DELE1或HRI也被删除（从而沉默了应激反应），这些细胞的存活得到恢复。显示了平均值（实线）和个别重复实验（彩色圆圈）。

然而，重要的是细胞只在有害条件消除后才沉默它们的应激反应。在线粒体输入应激的情况下，SIFI复合体也通过降解未导入的线粒体蛋白质帮助清理。当这些蛋白质仍然存在于细胞质中，并且输入应激尚未解决时，SIFI复合体被转移离开应激反应组件，反应保持活跃。一旦导入已恢复并且蛋白质聚集物已被清除，SIFI复合体就瞄准应激反应机制并关闭这一信号通路。SIFI复合体的失活导致聚集蛋白的积累；然而，遗传和药理分析显示，杀死UBR4突变细胞的是持续的应激反应信号。因此，即使应激反应具有保护作用，不再必要时也必须关闭，以防止细胞损伤和死亡。

我们的发现揭示了一个令人惊讶的机制，即蛋白质聚集体如何推动神经退行性疾病的发展：与其直接杀死细胞，不如说这些聚集体将SIFI复合体从应激反应组件中转移走，从而导致持续的应激反应信号对细胞有害。用药物沉默应激反应足以挽救SIFI复合体或导入机制中存在突变的细胞。这些发现表明，利用小分子抑制应激反应酶可能是治疗神经退行性疾病的新方法。我们注意到这项工作是在细胞培养模型中进行的，并且UBR4突变细胞的分析是在数天或数周的时间内进行的。相比之下，神经退行性疾病通常需要数年时间才会出现症状，而且聚集体可能稍后会显示出导致UBR4突变患者神经元死亡的效果。因此，治疗神经退行性疾病可能需要同时降低神经元聚集体负担和恢复应激反应沉默的组合方法。

鉴于其治疗意义，确定其他应激反应途径是否使用它们自己的专门沉默机制将是令人兴奋的。理解这样的调控网络不仅会揭示激动人心的生物学知识，而且还可能启用强大的方法来治疗由持续应激反应激活引起的退行性疾病。——戴安娜·L·霍昆森和迈克尔·拉佩在加利福尼亚大学伯克利分校霍华德·休斯医学研究所，美国加利福尼亚州伯克利市。

专家意见

这篇手稿识别出一个复合体，作为一个反馈机制，一旦未导入的线粒体前体通过蛋白酶体降解解决，就缓和综合应激反应。这项研究为综合应激反应增加了关键的反馈控制层次，这对于调节反应的程度和持续时间以及从细胞适应到细胞死亡的转换至关重要。该主题对领域具有重要意义，具有创新性，并且对生物医学具有广泛兴趣。——一位审稿人

论文背后

应激反应沉默的发现是由一系列长期实验使能的，这些实验始于对不同泛素链如何编码独特生物信息的基础研究。在发现了一种针对聚集蛋白的泛素链类型后，我们分离出UBR4作为负责组装这种泛素链的酶。由于UBR4在一种神经退行性疾病中发生了突变，这一发现为研究蛋白质聚集体如何影响细胞存活创造了激动人心的机会。我们的遗传筛选指向了线粒体蛋白导入作为一个受影响的途径，该途径已经与神经退行性病理联系起来。UBR4的功能令人惊讶，因为它揭示了持续的应激反应信号是蛋白质聚集的间接但高度有害的后果。我们对我们研究的洞察力表明基于药物的治疗神经退行性疾病的可能性感到兴奋，这是基础科学如何通知药物发现的一个例证。——M.R.