周颖 刘康（通讯作者）

（中国药科大学 江苏 南京 211198）

1.Lon的结构和功能

Lon 是一种位于线粒体基质的蛋白水解酶，也称为Lon 蛋白酶。在细菌中也称为蛋白酶La，起源于表型缺少Lon 基因的大肠杆菌突变体[1]。在大肠杆菌中，Lon 可降解近50%的异常蛋白质。Lon 蛋白酶由核基因编码，并在所有生物体中高度保守。通过选择性降解线粒体基质中错误折叠的蛋白、氧化及短寿命调节蛋白参与蛋白质的质量控制，维持线粒体基因组的表达[2]。

线粒体基质中有三种蛋白酶属于AAA+超家族（与多种细胞活性相关的ATP 酶），包括m-AAA、CLPXP 和Lon[3]。Lon在胞质核糖体中翻译成具有线粒体靶向序列的前体蛋白形式（MTS），其N 端引导Lon 前体进入线粒体基质，MTS 裂解后，Lon 转变为成熟的Lon 蛋白酶，然后重新折叠为有功能的蛋白酶[4]。

Lon 含有三个功能结构域：N 端结构域、ATP 酶结构域（AAA+域）和P 结构域[5]。其N 端结构域可参与底物的识别，在氨基酸组成上有高度特异性。底物被识别后发生去折叠，进入蛋白水解部位，则开始进行肽键剪切。有研究发现Lon 的突变体表现出一系列的N 端结构域缺失，其也失去结合底物的能力[6]。然而它们仍保持ATP 酶的活性并可水解较小的多肽。Lon 的N端除了识别功能外，还参与了自身活性的调节。此外，AAA+域可参与ATP 的结合和水解。P 结构域有蛋白水解活性。

2.Lon和神经性疾病

2.1 Lon 和脑缺血/中风

在大鼠缺血性脑卒中（大脑中动脉栓塞）模型中，Lon mRNA 和蛋白表达水平由缺血诱导引起，特别是在神经元中[7]。已知脑缺氧/血会引起严重的内质网应激。减少蛋白的合成可用以应对内质网应激，该途径需要内质网中蛋白激酶PERK 的激活。在PERK（-/-）细胞中由内质网应激诱导的Lon 蛋白酶被抑制，证实了Lon 与内质网应激反应相关[8]。

2.2 Lon 和家族性肌萎缩侧索硬化症（ALS）

ALS 是一种严重的神经退行性疾病，其特征为进行性运动神经元死亡，引起进行性麻痹和致命的呼吸衰竭[9]。越来越多的证据支持线粒体功能障碍和凋亡激活在ALS 病因中起的关键作用。Lon 下调导致各种人类细胞元凋亡,由此提出了ALS 中L o n 下调与运动神经元凋亡之间存在潜在的直接关系这一问题[10]。

2.3 Lon 和帕金森氏病（PD）

有研究表明，导致活性氧产生和蛋白质氧化的线粒体功能障碍可能是导致帕金森氏病发病机理中的关键。在1-甲基-4-苯基-1，2，3，6 四氢吡啶（MPTP）诱导的小鼠PD 动物模型中发现，Lon 在中脑腹侧表达增加，并伴随着氧化蛋白的出现和多巴胺能细胞损失[11]。

3.Lon 与心肌缺血

缺血和缺血性损伤通常会导致氧化应激和线粒体损伤。研究表明，线粒体电子传递链的细胞色素C 氧化酶(CcO)活性在缺血过程中遭到破坏，这将破坏线粒体复合物之间功能联系，导致活性氧过量产生并降低ATP 合成。Naresh B.V. Sepuri1 等研究结果表明，在缺氧的巨噬细胞和缺血的兔心脏中，线粒体Lon 的蛋白与mRNA 水平均呈时间依赖性增加[12]。进一步实验结果显示，Lon 过表达诱导PKA 介导的磷酸化CcO亚基降解，与在缺氧和缺血/再灌注的心脏中观察到的结果类似[12]。从而证实Lon 在此过程中的作用。Lon 活性增加对于缺氧和心肌缺血再灌注中观察到的CcO 破坏至关重要。

4.Lon与胰岛素抵抗

线粒体功能紊乱可导致胰岛素抵抗和2 型糖尿病。在人肝细胞中，Lon 下调会导致胰岛素信号传导受阻和糖异生相关酶水平升高。而Lon 过表达能降低由胆固醇和棕榈酸引起的胰岛素抵抗。糖尿病小鼠体内的Lon 蛋白水平显著低于正常小鼠体内的Lon 蛋白水平。表明Lon 下调可能参与胰岛素抵抗和2 型糖尿病的进程[13]。

5.Lon与癌症

近年来Lon 已经成为线粒体质量控制系统中重要成分，并可作为线粒体改变中的一种重要应激传感器。在许多慢性疾病和癌症中都可以观察到这种现象[14]。线粒体L o n 在很多癌症中过表达，如恶性B 细胞淋巴瘤、宫颈癌、膀胱癌、非小细胞肺癌等[15]。大多数癌细胞的主要特征是迅速增殖，会造成缺氧微环境，因此线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）由于缺氧被抑制，癌细胞倾向于依靠糖酵解为其生存和快速分裂提供ATP[16]。越来越多证据表明线粒体Lon 参与肿瘤发生。线粒体呼吸链酶复合物是胞内ROS 的主要来源，ROS 通过破坏m t R N A、脂质和蛋白质造成线粒体紊乱。对于癌细胞，L o n 的上调可有效去除异常蛋白以确保其线粒体稳态，维持或促进癌细胞生长。相反，L o n 下调能够降低增殖和代谢。因此，线粒体依赖的Lon 蛋白酶可作为癌症诊断的潜在生物标志物及抗癌药物开发新靶点，以预测各类癌症化疗的效率和效果[17]。

6.Lon与细胞凋亡

在应激状态下，Lon 参与调节细胞存活和凋亡。研究发现过氧化氢、低氧和紫外线辐射下会使Lon 水平升高从而抑制细胞凋亡并增强细胞存活。而用紫外线处理Lon 过表达细胞和正常细胞，发现Lon 过表达细胞中凋亡细胞明显减少，进一步确认Lon 能保护细胞免受紫外线诱导的细胞凋亡。

线粒体Lon 除降解蛋白作用外，还具有分子伴侣功能。有证据表明各种应激反应诱导p53 转运到线粒体，并激活凋亡途径。T-Y Kao 等人通过免疫共沉淀和免疫荧光共定位反应证实了Lon 和HSP60-mtHSP70 复合物的相互作用，该复合物的蛋白稳定性取决于氧化应激下Lon 的水平。且Lon 抑制细胞凋亡的能力取决于与p53 结合的HSP60，表明Lon 调节细胞存活的机制是由HSP60-mtHSP70 复合物的蛋白稳定性介导的[18]。Lon 的抗凋亡作用与其促肿瘤作用密切相关[19]。

7.展望

依赖ATP 的线粒体Lon 蛋白酶表现出很多线粒体功能调节作用，包括降解异常蛋白，维持mtDNA 完整性和生物能代谢。Lon 对维持细胞稳态起着重要作用，其对肿瘤的生长调节尤为受到关注。至今还没有发现Lon 蛋白酶的特异性抑制剂，但有几种蛋白酶体抑制剂，包括广泛使用的20S 蛋白酶体抑制剂MG132 可扩散到线粒体中并抑制线粒体类固醇生成急性调节蛋白（STAR）的表达，后者是Lon 蛋白酶的内源性底物，提示蛋白酶体和Lon 蛋白酶在蛋白水解机制上可能有相似之处。今后基于Lon 蛋白酶的高通量药物筛选模型的建立以及从天然产物和合成小分子化合物库中寻找Lon 蛋白酶特异性抑制剂和激活剂,无疑会加快Lon 蛋白酶作用分子机制的全面和深入研究,并将促进相关药物的开发[20]。