Urm1-KO 基因敲除小鼠

Urm1，也称为ubiquitin-related modifier 1，是一种独特的泛素样蛋白（UBL），在生物医学领域具有重要作用。它具有泛素或小泛素相关修饰因子（SUMO）等经典UBLs的特征，同时也具有细菌硫载体蛋白（SCP）的特征。Urm1的主要功能是修饰tRNA，它在tRNA上引入硫代化修饰，这种修饰对于优化翻译过程至关重要[1]。

Urm1的激活酶Uba4包含两个结构域：一个经典的E1样结构域（AD），用于激活Urm1，以及一个硫氰酸酶同源结构域（RHD）。RHD结构域催化Urm1上形成C端硫代羧酸盐，使Urm1成为5-甲氧羰基甲基-2-硫代尿苷（mcm5s2U）的硫供体。这种硫代修饰在所有生命领域中都是保守的，并优化了翻译过程。Urm1的缺失会增加酵母中由蛋白质稳态缺陷引起的应激敏感性，这是高等生物中神经缺陷的一个标志。相反，tRNA修饰酶水平的升高会促进某些类型癌症的出现和转移的形成[1]。

在Toxoplasma gondii中，Urm1的同源基因（TgURM1）位于速殖子细胞质中。TgURM1的完全缺失会导致寄生虫侵袭、复制和毒力显著降低，表明TgURM1在T. gondii的生存中起着关键作用。氧化应激会显著诱导TgURM1的尿甲基化，而TgURM1 C端甘氨酸-甘氨酸基序的突变会阻断尿甲基化过程。此外，TgURM1基因敲除菌株对氧化应激不耐受，表明TgURM1参与氧化应激过程。通过蛋白质组学技术，发现了一个与氧化应激条件下的TgURM1相互作用的蛋白质TgAHP1，表明TgURM1在Toxoplasma对氧化应激的反应中发挥作用[2]。

在果蝇中，Urm1是JNK信号通路和氧化应激反应的关键调节因子。Urm1与Uba4协同作用，在体内诱导蛋白质尿甲基化。Urm1与靶蛋白的共价结合，特别是与保守底物Peroxiredoxin 5（Prx5）的结合，依赖于Uba4。完全缺失Urm1会导致果蝇死亡，尽管可以恢复少量成虫突变体。这些突变体表现出一般适应性和寿命的降低，但与酿酒酵母的对应物不同，它们对氧化应激具有抵抗力。这提供了一个分子解释，即细胞保护性JNK信号通路在Urm1缺乏的动物中增加。因此，Urm1是一种UBL，它参与果蝇中JNK信号通路的调节和对抗氧化应激的反应[3]。

Urm1在DNA损伤反应中也发挥重要作用。Urm1是17种已知的UBL之一，这些UBLs在细胞对各种应激的反应中发挥着重要作用。Urm1在DNA损伤反应中的分子机制和功能目前尚不清楚，但它在细胞响应DNA损伤和维持基因组稳定性方面具有潜在的重要性[4]。

在Toxoplasma gondii中，Urm1的特异性泛素样激活蛋白TgUba1位于细胞质中。TgUba1包含三个结构域：萎缩蛋白1结构域（ANT1）、E1样结构域（AD）和硫氰酸酶同源结构域（RHD）。TgUba1的AD结构域对于两种蛋白的相互作用至关重要。TgUba1的敲除和互补突变体基于CRISPR/Cas9基因编辑技术获得。TgUba1的敲除减弱了寄生虫在老鼠中的增殖和毒力，但没有影响侵袭和逃逸过程，表明TgUba1在T. gondii的生存中发挥着关键作用。此外，TgUba1的敲除显著降低了氧化应激刺激下TgUrm1的共价结合带，表明TgUba1增强了TgUrm1对氧化应激的靶向结合能力，特别是在二胺（Dia）刺激下。通过蛋白质组学技术，还鉴定了11个与TgUba1相互作用的蛋白质，这些蛋白质与泛素样修饰、抗氧化应激和代谢调节过程相关[5]。

Urm1还可以与HTLV-1编码的癌蛋白Tax相互作用。Tax的转化活性和亚细胞定位受翻译后修饰的强烈影响，其中泛素化和SUMO化已被确定为Tax核/胞浆穿梭和激活NF-κB信号通路的关键调节因子。Urm1与Tax的共价结合导致Tax重新分布到细胞质中，并且NF-κB靶基因Rantes和白细胞介素-6的转录显著增加。利用Tax转基因果蝇模型，表明Tax的Urm1依赖性亚细胞靶向在进化上保守，并且Urm1的存在与果蝇中NF-κB的下游靶基因Diptericin的转录输出密切相关。这些数据将Urm1作为Tax的一个新的修饰因子，它调节Tax的致癌活性，因此可能成为开发新的治疗ATL策略的潜在靶点[6]。

人类和酵母中的Urm1·Uba4系统在尿甲基化和tRNA硫代化途径中具有双重功能。通过基因置换，将酵母蛋白替换为其人类同源物hURM1和hUBA4/MOCS3，发现hURM1和hUBA4在酵母中具有功能，尽管效率较低。它们介导了已知尿甲基化靶标Ahp1的尿甲基化，并支持tRNA硫代化。与hUBA4类似，酵母Uba4自身也受到Urm1和hURM1的修饰，表明真核生物尿甲基化途径之间存在目标重叠。因此，研究显示，具有双重功能的UBL Urm1·Uba4系统在人类和酵母细胞之间是保守的并可交换的[7]。

在酿酒酵母中，tRNA的硫代化通过URM1途径介导。URM1途径对于硫代化细胞质tRNAs tGlu(UUC)、tGln(UUG)和tLys(UUU)是必需的。研究证明，URM1途径突变体表现出受损的翻译，导致Hsf1介导的热休克反应的基线激活增加；还发现，在高温下培养时，野生型细胞中的tRNA硫代化水平下降。研究表明，tRNA硫代化的缺陷在特定条件下是有益的，赋予了对内质网应激的抵抗力。URM1途径蛋白不稳定，因此对细胞翻译能力的改变更敏感，这在应激细胞中会降低。因此，提出了一个模型，其中应激诱导的翻译减少导致URM1途径成分水平的降低，从而导致tRNA硫代化水平的降低，这进一步有助于降低翻译。这种机制确保了tRNA硫代化和翻译根据需要进行紧密耦合和协同调节[8]。

综上所述，Urm1是一种独特的UBL，在多种生物学过程中发挥重要作用。Urm1在tRNA硫代化、氧化应激反应、DNA损伤反应、细胞生存和癌症发生等方面具有关键作用。Urm1的研究有助于深入理解UBL在细胞功能调节和疾病发生机制中的作用，为疾病的治疗和预防提供新的思路和策略[1-9]。