2017年5月12日，國際學術權威刊物自然出版集團旗下子刊《Cell Research》雜誌在線發表了中國科學院生物化學與細胞生物學研究所胡榮貴研究組領銜、聯合哈佛醫學院Daniel Finley教授，歌德大學法拉克福生化所的Ivan Dikic教授，新瀉大學小松雅明教授，北京軍事醫學科學院張學敏院士等聯合團隊合作的一篇研究論文，最新研究成果題為“Ubiquitylation of p62/Sequestosome1 Activates Its Autophagy Receptor Function and Controls Selective Autophagy Upon Ubiquitin Stress”。研究闡述了泛素信號在自噬受體水平調控細胞自噬的新機制，揭示了細胞內起核心作用的自噬受體蛋白p62作為感應泛素脅迫感應器調控細胞選擇性自噬活性，應對藥物、熱激(heat shock)等生理病理相關脅迫的基本的分子機制。胡榮貴研究組的彭虹博士、楊嬌博士作為共同第一作者，胡榮貴研究員為論文通訊作者。
自上世紀六十年代，泛素(Ubiquitin, Ub)分子被首次發現以來，人們發現泛素作為一類重要信號分子，通過泛素激活酶(E1)、泛素偶聯酶(E2)、泛素連接酶(E3)順序催化的泛素化修飾(Ubiquitylation或ubiquitination)以及去泛素化酶參與的去泛素化修飾(deUbiquitylation或deubiquitination)，以可逆、可誘導的方式調節細胞內幾乎所有重要的生命活動。泛素化信號的異常與腫瘤、神經退行性疾病、神經認知遺傳缺陷如孤獨症等密切相關，但其機理目前的認識卻尚處於不斷深入的階段。在真核生物中都可有多個基因編碼泛素蛋白，是細胞內含量最高的基因編碼的產物之一達到近500μM。在細胞內主要以自由和偶聯的兩種方式存在，多項研究表明，胞內泛素分子的丰度及穩態變化在細胞內外不同生理病理刺激的作用下，呈現複雜多樣的變化，被統稱為泛素脅迫(Ub stress)。例如，當細胞處於熱激、藥物處理、衰老、病原體感染等狀態下，細胞內的泛素基因的轉錄水平顯著變化，在亞細胞水平的穩態分佈也會發生異常改變。研究表明，胞內泛素水平異常也會影響從酵母到人類細胞或機體生命活動的諸多方面，例如泛素基因突變或水平不足的小鼠，小鼠則表現為神經退行性疾病症狀以及肝臟發育缺陷;泛素過表達的細胞則表現出類幹細胞的某些特徵、影響腫瘤細胞的藥物反應，但是分子機制一直都不清楚。
首先發現泛素脅迫在接受化療的腫瘤病人的細胞內真實存在。他們接下來進一步定義了泛素脅迫的概念，將多種影響細胞內泛素穩態的條件根據泛素總體水平被上調還是下調分別定義為正向泛素脅迫(Ub+ stress)和泛素負向脅迫(Ub- stress)。 研究發現，正向泛素脅迫如蛋白酶體抑制劑類藥物的腫瘤化療或細胞處於熱激狀況時，細胞內泛素水平明顯上升並伴隨有依賴p62的細胞選擇性自噬的激活;而泛素負向脅迫條件下則細胞自噬被嚴重抑制。
進一步研究發現，通常情況下，細胞內最重要的自噬受體蛋白之一p62，通常由於N端的PB1結構域、C端的UBA結構域間的分別結合形成穩定的二聚或多聚體而處於不能與底物結合的自我抑制 (self-inhibitory) 狀態，而使細胞內自噬活性保持較低的水平。他們首次發現P62可以與兩類E2泛素偶聯酶(UBE2D2/UBE2D3)發生特異性的直接相互作用，併發生自泛素化修飾。當細胞內的泛素水平顯著升高時，p62會更加顯著地發生E2-依賴的泛素化，經泛素化修飾的p62蛋白構象會發生改變，C-端的UBA二聚體被打開，而處於可以與泛素化底物結合的活化“active”狀態，從而更有效地募集結合被K63-連接的多泛素鏈修飾的自噬底物。這些研究成果首次揭示p62不依賴與E3的自泛素化修飾，發揮感受泛素脅迫的效應器(Ub stress sensor)的功能，並調控細胞自噬，介導細胞對腫瘤的藥物化療藥物敏感性、熱激效應以及外源微生物侵染等的新的分子機制。
研究組之前報道了具有腫瘤抑制活性的泛素連接酶HACE1可以通過泛素化自噬受體OPTN，調控自噬受體複合物形成，增加細胞自噬途徑降解的通量並抑制多種腫瘤發生發展的機制(Liu et al Cancer Cell 2014)。在揭示了泛素信號調節自噬複合物形成的基礎上，本研究在自噬受體層面揭示了泛素信號調節自噬受體功能開關，調控細胞反應的新機制，不僅幫助人們從機制上理解此前困惑已久的一系列生物學現象，為研究細胞應對各種刺激的分子機制提供了新的研究視角，也可能有助於優化設計通過干預細胞自噬提高腫瘤診療效果的方案。
絕大多數實驗室在研究胞內特定蛋白質泛素化及其功能性影響時都會涉及到過表達帶標籤的泛素，而本研究發現，在幾乎所有研究的細胞類型內，如果過表達泛素蛋白，無論有無標籤，到一定的水平都可以導致人為的泛素正向脅迫而激活細胞自噬。很顯然，無論泛素領域內外的人們，都普遍忽略了自噬被人為激活的可能，從而在解釋很多實驗現象時，欠缺完整考慮甚至造成完全的誤導。本項研究明確提醒人們，在研究胞內泛素信號相關的生物學問題時，必須避免因盲目地過表達泛素而在自己的實驗體系內人為激活細胞自噬。
自噬受體蛋白p62感應正向泛素脅迫(Ub+ Stress)，通過不依賴於E3的自泛素化，由自我抑制狀態被激活，調控細胞選擇性自噬功能的分子機制示意圖。
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原文摘要：
Alterations in cellular ubiquitin (Ub) homeostasis, known as Ub stress, feature and affect cellular responses in multiple conditions, yet the underlying mechanisms are incompletely understood. Here we report that autophagy receptor p62/sequestosome-1 interacts with E2 Ub conjugating enzymes, UBE2D2 and UBE2D3. Endogenous p62 undergoes E2-dependent ubiquitylation during upregulation of Ub homeostasis, a condition termed as Ub+ stress, that is intrinsic to Ub overexpression, heat shock or prolonged proteasomal inhibition by bortezomib, a chemotherapeutic drug. Ubiquitylation of p62 disrupts dimerization of the UBA domain of p62, liberating its ability to recognize polyubiquitylated cargoes for selective autophagy. We further demonstrate that this mechanism might be critical for autophagy activation upon Ub+ stress conditions. Delineation of the mechanism and regulatory roles of p62 in sensing Ub stress and controlling selective autophagy could help to understand and modulate cellular responses to a variety of endogenous and environmental challenges, potentially opening a new avenue for the development of therapeutic strategies against autophagy-related maladies.