活性氧（ROS）既是细胞代谢的副产物，也是重要的信号分子。适量的ROS参与细胞增殖、细胞死亡和细胞信号传导等生理过程。然而，过量的ROS会引起氧化应激，损害细胞结构和功能，导致疾病【1】。细胞通过抗氧化防御机制对抗过量的ROS，例如通过KEAP1-NRF2信号通路激活抗氧化酶的产生【2】。然而，持续的抗氧化信号通路会导致ROS水平下降至基线以下，从而触发还原性应激，损害细胞功能。细胞通过还原性应激响应来对抗ROS水平的下降，该通路依赖于E3连接酶CUL2-FEM1B homolog B (CUL2FEM1B)【3-4】。CUL2FEM1B通过泛素化FNIP1来感知低ROS水平，并促进线粒体呼吸以补充ROS。然而，CUL2FEM1B在细胞中的定位及其如何感知ROS水平下降，CUL2FEM1B的底物以及如何调节线粒体功能，CUL2FEM1B如何参与线粒体蛋白输入过程目前还是不清晰的。2024年12月5日，来自美国加州大学伯克利分校分子与细胞生物学系的Michael Rape研究团队在Molecular Cell杂志上发表题为Reactive oxygen species control protein degradation at the mitochondrial import gate的研究论文，该研究揭示了ROS在控制线粒体蛋白降解和维持线粒体功能中的关键作用。首先，研究人员通过显微镜观察发现，FEM1B与线粒体外膜蛋白（OMM）TOM20有共定位，并富集于富含线粒体的膜组分中。蛋白酶K处理实验显示，FEM1B、CUL2和FNIP1与线粒体外膜相关，而线粒体内腔（IMS）成分 MIA40 和线粒体内膜（IMM）蛋白HCCS则不受影响，这表明CUL2FEM1B定位在线粒体外膜上，而线粒体是电子传递链过程产生ROS的主要场所。进一步研究发现，CUL2FEM1B的底物FNIP1也定位于线粒体，并富集于TOM22复合物中。这些结果表明CUL2FEM1B定位于线粒体外膜并感知ROS。通过构建包含FNIP1降解结构域的报告器，并使用流式细胞术监测其稳定性，研究人员发现线粒体FNIP1报告器的降解效率高于其细胞质或内质网中的类似报告器。这表明还原性压力信号在线粒体上发生，并通过CUL2FEM1降解FNIP1来调节线粒体蛋白转运。进一步研究发现，CUL2FEM1的缺失或突变会导致FNIP1稳定性增加，从而抑制线粒体蛋白转运。为了验证还原性压力响应是否感知线粒体产生的ROS，研究人员通过删除抗氧化蛋白延长 ROS持续时间，并使用流式细胞术监测FNIP1的稳定性。研究人员发现删除SOD1或其伴侣CCS会强烈稳定线粒体FNIP1报告器和内源性FNIP1。这表明还原性压力响应监测进入 IMS的ROS，并由SOD1控制。此外，研究人员发现SOD1在IMS和细胞质中都起作用，但它的删除对细胞质FNIP1报告器的稳定性影响很小。这进一步支持了SOD1在IMS中控制ROS的作用。研究人员发现过表达FEM1B会抑制线粒体转运，而CUL2FEM1的底物积累在TOM22上会抑制线粒体转运，从而降低ETC成员的生物发生。删除TOM20也会干扰FNIP1的降解，而回补野生型TOM20可以挽救这一点。C-end 规则报告器表现出相反的行为，如果表达细胞质 TOM20，则会更快地降解。因此，CUL2FEM1在线粒体上优先降解 FNIP1。此外，研究人员还发现CUL2FEM1的局部降解调节了线粒体活性：只有野生型 FEM1B，而不是TOM20结合缺陷型FEM1B，才能挽救DFEM1B细胞中观察到的线粒体碎片化。L18/L25的突变也损害了 FEM1B诱导的 ROS 产生。因此，CUL2FEM1必须结合TOM复合物才能有效地降解FNIP1并诱导ROS。还原性压力信号依赖于连接细胞质和线粒体IMS的膜通道中的局部蛋白降解。CUL2FEM1通过与TOM20结合，招募其底物FNIP1到TOM复合体上，并通过局部蛋白降解来调节线粒体蛋白转运。当ETC活性低时，CUL2FEM1的底物被降解，从而允许更多的蛋白进入线粒体，包括ETC复合体IV的组装因子和辅酶 Q 的合成酶。相反，当ETC活性过高时，CUL2FEM1的底物被稳定，从而限制蛋白进入线粒体，包括ETC复合体IV的组装因子和辅酶Q的合成酶。这种调节机制对于维持线粒体功能和氧化磷酸化至关重要。此外，研究人员发现，异常ROS会干扰CUL2FEM1的活性，从而抑制线粒体蛋白降解和转运，这可能是线粒体功能障碍的病理机制。总之，该研究揭示了线粒体TOM复合体在调节线粒体蛋白转运中的关键作用，并发现线粒体中低水平的ROS通过E3连接酶CUL2FEM1B来控制蛋白降解，从而维持线粒体功能，并使细胞能够根据代谢需求调整其电子传递链。该发现为理解ROS在细胞稳态和能量代谢中的重要性提供了新的见解，并为开发针对线粒体功能障碍的疗法开辟了新的途径。https://www.cell.com/molecular-cell/fulltext/S1097-2765(24)00909-2制版人：十一
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