内质网应激响应基因ERO1维持酵母细胞内质网稳态机制研究

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内质网(ER)是真核细胞蛋白质正确折叠和成熟的主要场所。其有一套严格的稳态控制机制,内外界因素的影响会扰动其蛋白质与氧化还原稳态,造成内质网应激(ERS),同时ER有大量驻留蛋白负责维持其稳态。在过去的十年中,由慢性ERS引起的继发性细胞损伤被认为是广泛流行的人类疾病的病理生理学的核心因素,因此,ER稳态的调控与维持机制研究对疾病治疗,药物研发有着重要意义。我们通过酿酒酵母(S.cerevisiae)必需基因过表达库筛选得到DTT(二硫苏糖醇,强还原剂)抗性基因ERO1。ERO1p在维持内质网氧化还原稳态和促进蛋白质二硫键合成过程中起到重要作用。初步药物敏感性分析实验和RT-PCR验证其DTT抗性不依赖于酵母IRE1/HAC1途径。深入研究发现:谷胱甘肽合成酶(GSH1p)在ERO1介导的DTT抗性中起关键作用;不同氧化剂(H2O2、重铬酸钾、氯化镉)、UPR诱导剂(衣霉素,Tm)及温度胁迫下,相对于野生型,ERO1过表达菌株反而表型敏感,提示ERO1p过表达促进细胞氧化水平;在谷氧还蛋白系统基因(GRX1、GRX2)和转酮醇酶基因(TKL1)突变体中过表达ERO1对DTT表现抗性,但对H2O2敏感表型丢失,显示该机制(ERO1p过表达促进细胞氧化水平)与细胞内二硫键形成过程的依赖关系;谷胱甘肽(GSH)是细胞内主要的含巯基供氢体,GSH合成关键基因GSH1突变后过表达ERO1对DTT抗性表型丢失;培养基中去除GSH合成相关氨基酸(Cys、Glu、Gly),GSH1缺失突变体对DTT敏感性消失;额外添加上述氨基酸或GSH,会削弱WT过表达ERO1对DTT抗性,进一步证明该机制对细胞内GSH参与的二硫键形成过程的依赖关系;细胞GSH和活性氧(ROS)水平生化检测显示,相较于野生型ERO1过表达菌株细胞内GSSG含量增加,而还原型GSH相较于DTT未处理时下降;相较于野生型,ERO1在gsh1Δ过表达细胞ROS增量降低,进一步说明还原型GSH在ERO1介导的DTT抗性中起到提供还原潜力作用。ERO1表达水平对维护细胞氧化还原稳态和二硫键合成起关键作用。蛋白质二硫键异构酶1(PDI1)在ERO1介导的蛋白质二硫键合成过程中起硫醇电子转递作用,因此,我们构建了PDI1及其旁系同源物EUG1的过表达菌株,但是DTT处理两者均没有ERO1类似表型,反而对DTT敏感,推测ERO1的表达水平对PDI1/EUG1参与的细胞氧化还原稳态维护和二硫键合成过程起限制作用。我们构建了半乳糖调控元件控制ERO1表达水平的菌株(Pgal10-ero1)和ero1-Damp(ERO1 RNA表达量降低)菌株并过表达PDI1、EUG1,随着ERO1表达量升高,上述菌株在ERO1低表达水平菌株的生长缺陷而回补,对H2O2敏感性减弱,DTT抗性增加,证明PDI1/EUG1参与的细胞氧化还原稳态维护和二硫键合成过程受ERO1表达水平影响。最后,生化水平检测不同ERO1表达水平菌株中氧化应激发现ERO1高表达量菌株氧化应激指标(ROS、OH-、MDA)增加,抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性及GSH也随之上升,H2O2处理加重氧化应激,而DTT处理氧化应激减轻,说明ERO1的表达水平在内质网氧化还原稳态的调控中起重要作用。最后,ERO1功能保守性分析,发现不同物种中ERO1p蛋白序列中关键结构域氨基酸高度保守。我们克隆得到白色念珠菌Ca.ERO1基因并成功在酿酒酵母菌中表达,过表达Ca.ERO1对DTT表现抗性,对H2O2表型敏感,表明其功能在真菌中保守。总之,本文利用酵母超表达文库筛选到DTT的抗性基因ERO1,探究了其在维持内质网氧化还原稳态中的功能。结果表明,GSH1在ERO1介导的DTT抗性中起关键作用,细胞氧化还原稳态和二硫键合成过程受ERO1表达水平影响,并且具有真菌的保守性。
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