PNAS丨南方科技大学宋学军/胡江建合作研究发现VCP通过FAF1募集控制KCC2降解，加速麻醉苏醒

iNature · 公众号 · · 2025-01-19 17:21

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K ⁺ /Cl ⁻ 共转运蛋白2（KCC2）在腹侧后内侧核（VPM）中的泛素-蛋白酶体降解已被证明是大脑从麻醉中恢复并重新获得意识的共同机制。在麻醉过程中，KCC2的泛素-蛋白酶体降解由E3连接酶Fbxl4驱动。然而，泛素化的KCC2如何被靶向至蛋白酶体的机制尚未被阐明。

2024年12月30日，南方科技大学宋学军和胡江建共同通讯在 PNAS （IF=9.4）在线发表题为 “ VCP controls KCC2 degradation through FAF1 recruitment and accelerates emergence from anesthesia ” 的研究论文。该研究在神经-2a细胞中报告了包含瓦洛辛的蛋白（VCP）将泛素化的KCC2运输到蛋白酶体的作用，并且在小鼠体内实验中，VCP抑制剂恢复了VPM中的KCC2表达，并增强了麻醉的效果。

在神经-2a细胞中，丙泊酚诱导的KCC2降解被VCP抑制剂DBeQ和VCP敲除质粒sgRNA（VCP）抑制。丙泊酚诱导的VCP与KCC2之间的相互作用增强被Fbxl4或Fas相关因子1（FAF1）敲除所抑制。在体内研究中，在VPM中药理学或遗传学抑制VCP显著防止了KCC2的降解并增强了丙泊酚麻醉效果；这些效应被KCC2拮抗剂VU0463271所抵消。 这些结果表明，VCP通过依赖FAF1招募的机制控制KCC2的泛素-蛋白酶体降解，并且这一机制对大脑从麻醉中恢复起着至关重要的作用。

最近，麻醉苏醒过程被重新审视为一个活跃且可控的过程，而不仅仅是依赖于麻醉药物从体内清除的被动过程。 许多皮层和皮层下核、神经回路以及多种神经递质和神经调节因子，包括乙酰胆碱、去甲肾上腺素、催食素、多巴胺和组胺，都被报道参与了麻醉恢复的过程。作者最近的研究揭示，当大脑被各种麻醉药物迫使进入最低响应状态（MRS，失去意识状态）时，腹后内侧核(VPM)中的K ⁺ –Cl ⁻ 共转运体2（KCC2）的快速且一致的下调作为一个共同的分子机制，抵抗意识水平的急剧下降，并启动并加速麻醉恢复的过程。NKCC1通常被称为KCC2的“孪生蛋白”，并且也涉及到从兴奋性信号转向抑制性信号的GABA作用。然而，尽管KCC2在麻醉的MRS阶段下调，但NKCC1的表达并未发生变化。有研究表明，泛素-蛋白酶体降解负责在麻醉的MRS阶段迅速下调KCC2，这一过程是由多亚基E3泛素连接酶cullin1Fbxl4/Skp1驱动的。 E3泛素连接酶cullin1Fbxl4/Skp1催化了泛素的转移到KCC2上。那么，泛素化的KCC2是如何被运输到蛋白酶体进行降解的呢？这个重要问题仍未解答。

模式机理图（图片源自 PNAS ）

需要被蛋白酶体降解的蛋白质首先通过一条由E1泛素激活酶、E2泛素连接酶和E3泛素连接酶组成的三酶级联反应标记上泛素链。 然后，泛素化的底物被泛素受体识别，并被运送到蛋白酶体进行最终降解。迄今为止，已发现四种泛素受体有助于将泛素化的蛋白质转运到蛋白酶体：含有valosin结构域的蛋白（VCP，亦称Cdc48/p97）、热休克蛋白110（HSP110）、以及含有泛素样结构域的蛋白BAG-1（Bcl-2相关的阿坦基因1）和BAG-6（Bcl-2相关的阿坦基因6）。 VCP通过与泛素结合适配器的相互作用，将底物从结合复合物中分离出来，发挥“分离酶”的作用。

VCP作为泛素受体的功能依赖于与泛素结合适配器的相互作用，包括泛素融合降解1（UFD1）/核蛋白定位同源物4（NPL4）和含UBX结构域的蛋白。 研究表明，至少有13种不同的UBX结构域蛋白，包括UBXD1~8、FAF1、SAKS1、p37、p47和ASPL，能够与VCP结合。与VCP将底物运输到蛋白酶体不同，HSP110更像是蛋白酶体19S粒子上的一个哨兵，促进泛素化底物的招募。HSP70在有效招募HSP110时起着至关重要的作用；它携带底物，并与HSP110结合在蛋白酶体19S粒子上完成底物运输。类似于HSP110，BAG-1的有效招募也需要HSP70；然而，BAG-1首先与HSP70和泛素化底物形成复合物，然后将这个复合物运输到细胞质，并将其附着到蛋白酶体的19S粒子上。尽管BAG-6和BAG-1都属于BAG家族，但它们的底物运输机制有显著不同。特别是，BAG-6介导的运输不依赖HSP70(35)。 BAG-6与跨膜结构域识别复合物（TRC35）和泛素样蛋白4A（UBL4A）相互作用，在谷氨酰胺丰富的四回旋肽重复结构蛋白alpha（SGTA）的帮助下，招募底物。BAG-6复合物有助于底物的穿梭，并与蛋白酶体的19S调控粒子相互作用。

UBX结构域蛋白的互作组分析表明，它们能够与大量的E3泛素连接酶复合物相互作用，其中包括调控KCC2泛素化的E3泛素连接酶cullin1Fbxl4/Skp1。 来自KCC2免疫沉淀的质谱分析揭示了KCC2与VCP的相互作用。这些线索暗示，VCP可能参与了KCC2的泛素-蛋白酶体降解过程。HSP70调控着HSP110驱动和BAG-1驱动的底物转运。在大鼠脑缺血的研究中，HSP70家族蛋白和KCC2在海马CA1区的表达水平在缺血后6至24小时同步上升，随后在两天后同步下降，并在缺血后第7天显著减少。 在暴露于3%七氟烷三小时的老鼠中，HSP70在海马中的表达在48小时后显著减少。

这些观察表明，HSP70显然与麻醉过程中KCC2的降解无关。 此外，没有研究表明BAG-6驱动的底物转运信号与KCC2表达之间的联系。在本研究中，作者确认了VCP作为泛素受体，负责介导泛素化KCC2到蛋白酶体的运输，而HSP70和BAG-6未参与这一过程。作者报告说，VCP通过UBX结构域蛋白FAF1招募，在神经-2a细胞和小鼠VPM（丘脑的腹后内侧核）中介导KCC2的降解，这一过程与丙泊酚的使用密切相关，导致麻醉苏醒。FAF1敲除显著减少了KCC2与VCP之间的相互作用，并逆转了丙泊酚引起的KCC2降解。 通过药理学或基因干扰抑制VCP功能，可以逆转丙泊酚引起的KCC2降解并增强丙泊酚麻醉的效果。

原文链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2413890121

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