探討細(xì)胞應(yīng)激后，CASP2在泛素化穩(wěn)態(tài)中的作用，特別是其在超載泛素化調(diào)節(jié)中的角色。實(shí)驗(yàn)思路解析：

1. 細(xì)胞組分分離：使用HeLa細(xì)胞，分離出三種細(xì)胞組分：可溶性I（Soluble I）、可溶性II（Soluble II）和顆粒部分（Pellet），以檢測不同應(yīng)激條件下的泛素化水平。

2. 應(yīng)激處理：細(xì)胞接受熱休克（HS）或硼替佐米（BTZ）處理，觀察這兩種處理對可溶性II和顆粒部分中泛素化水平的影響。

3. 液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜分析：對HS或BTZ處理后的顆粒部分進(jìn)行LC-MS/MS分析，篩選出204個(gè)常見的候選蛋白，進(jìn)一步分析其在應(yīng)激條件下的富集情況。

4. 蛋白質(zhì)富集分析：重點(diǎn)關(guān)注與蛋白質(zhì)質(zhì)量控制（PQC）相關(guān)蛋白，如DAXX、TRIM11、SQSTM1和UBXN1，這些蛋白在顆粒部分中特異性富集，提示它們在應(yīng)激下發(fā)揮功能。

5. CASP2角色驗(yàn)證：觀察CASP2在應(yīng)激處理后的積累情況，發(fā)現(xiàn)其在可溶性II和顆粒部分中增加，表明其可能參與調(diào)節(jié)泛素化。

6. CASP2敲除實(shí)驗(yàn)：構(gòu)建CASP2敲除（CASP2-KO）HEK293T細(xì)胞系，評估CASP2缺失對泛素化的影響，發(fā)現(xiàn)缺失CASP2后，細(xì)胞在恢復(fù)階段的多聚泛素化綴合物積累。

7. 泛素化動(dòng)態(tài)監(jiān)測：通過觀察Ubc9ts的泛素化變化，發(fā)現(xiàn)CASP2缺失降低了其周轉(zhuǎn)率，且在恢復(fù)過程中，CASP2-KO細(xì)胞中仍有未去除的泛素陽性斑點(diǎn)。

 結(jié)論：CASP2在細(xì)胞應(yīng)激后被招募到不溶性部分，并在調(diào)節(jié)超載泛素化中發(fā)揮重要作用。CASP2的缺失導(dǎo)致應(yīng)激誘導(dǎo)的泛素化綴合物積累，影響細(xì)胞的蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)。

圖1 ：CASP2 維持應(yīng)激后泛素穩(wěn)態(tài)

探究缺陷對細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)的影響，采用基于串聯(lián)泛素結(jié)合實(shí)體（TUBE）的泛素組學(xué)分析，以檢測在熱休克（HS）后CASP2缺失（CASP2-KO）細(xì)胞中積累的泛素化蛋白。研究思路解析：

1. 細(xì)胞分級(jí)：首先對熱休克處理后的細(xì)胞進(jìn)行分級(jí)，丟棄可溶性I級(jí)分，保留剩余的級(jí)分進(jìn)行后續(xù)分析。將這些級(jí)分與固定的TUBE珠孵育，以捕獲泛素化的蛋白質(zhì)。

2. 數(shù)據(jù)分析：通過定量質(zhì)譜（MS）分析TUBE捕獲的蛋白質(zhì)，比較恢復(fù)組與HS組中捕獲蛋白質(zhì)的強(qiáng)度。計(jì)算恢復(fù)組與HS組中蛋白質(zhì)的比率，發(fā)現(xiàn)CASP2-KO細(xì)胞中超過80%的蛋白質(zhì)表現(xiàn)出更高的泛素化水平，表明這些蛋白質(zhì)在缺乏CASP2的情況下過度泛素化。

3. 篩選與富集分析：篩選出116種不同的蛋白質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步的富集分析，其中11種蛋白質(zhì)與肌wei縮側(cè)索硬化癥（ALS）高度相關(guān)，包括TDP-43和TBK1。研究表明，TDP-43和TBK1的過度泛素化和磷酸化是ALS的病理特征。

4. 功能驗(yàn)證：通過拉下實(shí)驗(yàn)（pull-down assay）確認(rèn)CASP2-KO細(xì)胞中TDP-43的泛素化水平顯著高于對照細(xì)胞，并且其周轉(zhuǎn)率較低。觀察到在熱休克或BTZ處理的細(xì)胞中，CASP2與磷酸化的TDP-43共定位，且CASP2-KO細(xì)胞在熱休克后積累了更多的pTDP-43。

5. 細(xì)胞生存分析：CASP2-KO細(xì)胞的集落形成效率降低，對BTZ處理更敏感，細(xì)胞死亡率升高，進(jìn)一步證明CASP2缺失導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)異常的蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)和病理性蛋白聚集。

結(jié)論：CASP2在維持細(xì)胞應(yīng)激后的蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，其缺失會(huì)導(dǎo)致有毒蛋白質(zhì)的聚集，這與神經(jīng)退行性疾病的病理變化密切相關(guān)。

圖 2：CASP2 缺陷不利于蛋白質(zhì)組應(yīng)激后細(xì)胞穩(wěn)態(tài)

對缺陷小鼠的運(yùn)動(dòng)缺陷進(jìn)行了深入分析，思路解析如下：

1. 運(yùn)動(dòng)功能評估：研究發(fā)現(xiàn)，10-14月齡的CASP2敲除小鼠表現(xiàn)出明顯的后肢抓握障礙，運(yùn)動(dòng)功能受損。這些小鼠在轉(zhuǎn)棒測試和握力測定中顯示出運(yùn)動(dòng)能力下降，步態(tài)分析顯示步幅縮短和運(yùn)動(dòng)速度降低。

2. 神經(jīng)肌肉連接分析：通過肌電圖測量，發(fā)現(xiàn)CASP2缺失小鼠的肌源性運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位較低，且靜息肌電圖記錄顯示腓腸肌存在自發(fā)性顫動(dòng)。這表明上運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元和下運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元之間的連接存在缺陷。此外，CASP2缺失小鼠的神經(jīng)肌肉接頭（NMJ）數(shù)量增加，而脊髓中膽堿乙酰轉(zhuǎn)移酶陽性神經(jīng)元的數(shù)量減少，進(jìn)一步證實(shí)神經(jīng)肌肉去神經(jīng)支配的現(xiàn)象。

3. 病理蛋白聚集分析：還觀察到，CASP2缺失小鼠的初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層和脊髓中，Lys48-Ub陽性斑點(diǎn)的數(shù)量和大小均顯著增加，這些斑點(diǎn)與累積的pTDP-43共定位。這表明TDP-43的泛素化和病理性聚集與CASP2缺失小鼠的運(yùn)動(dòng)缺陷相關(guān)。

4. 建立TDP-43模型：為進(jìn)一步驗(yàn)證CASP2在TDP-43相關(guān)疾病進(jìn)展中的作用，對新生小鼠進(jìn)行AAV-TDP-43注射。結(jié)果顯示，CASP2缺失小鼠的初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層中GFP-TDP-43的強(qiáng)度高于對照組，且在不溶性顆粒中積累的GFP-TDP-43更多。這表明CASP2缺失加速了TDP-43病理表型的發(fā)展。

5. 對運(yùn)動(dòng)行為的影響：運(yùn)動(dòng)行為實(shí)驗(yàn)表明，注射AAV-TDP-43的CASP2缺失小鼠表現(xiàn)出更嚴(yán)重的運(yùn)動(dòng)損傷，靜息肌電圖記錄顯示運(yùn)動(dòng)單位高頻自發(fā)放電顯著增加。這些結(jié)果進(jìn)一步支持了CASP2在維持蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)和神經(jīng)肌肉連接中的重要作用。

結(jié)論：CASP2缺失小鼠的運(yùn)動(dòng)缺陷與病理性蛋白質(zhì)聚集、神經(jīng)肌肉去神經(jīng)支配及TDP-43的異常表達(dá)密切相關(guān)，提示CASP2在神經(jīng)退行性疾病中的潛在作用。

圖 3：CASP2 缺陷小鼠表現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)缺陷

探討了caspase-2（CASP2）在細(xì)胞應(yīng)激條件下的作用，特別是它如何參與形成一種新的富含泛素修飾蛋白的生物分子凝聚物，即泛素應(yīng)激小體（Ubstressome）。這種凝聚物在細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)中發(fā)揮重要作用，該凝聚物通過液-液相分離形成，通常在細(xì)胞核周圍存在，主要成分包括過載泛素修飾的底物、蛋白酶體和CASP2。研究思路解析：

 實(shí)驗(yàn)方法：

（1）免疫共沉淀：通過免疫共沉淀技術(shù)，研究人員確認(rèn)了CASP2與泛素化蛋白的相互作用。

（2）熒光實(shí)驗(yàn)：使用穩(wěn)定表達(dá)的單體GFP標(biāo)記的CASP2，觀察其在HEK293T細(xì)胞中的動(dòng)態(tài)分布。研究發(fā)現(xiàn)，CASP2在應(yīng)激處理后逐漸濃縮并形成可見的淚點(diǎn)，這表明其參與了凝聚物的形成。觀察到CASP2與Ubc9ts的共積累，進(jìn)一步支持了其在液-液相分離中的作用。

 主要結(jié)果：

（1）凝聚物的形成：CASP2與多聚泛素鏈形成液體狀的凝聚物，且這些凝聚物在光漂白后能夠恢復(fù)，顯示出液體特性。

（2）大復(fù)合物的鑒定：通過尺寸過濾色譜，發(fā)現(xiàn)CASP2參與了一個(gè)分子量接近2000 kDa的大復(fù)合物，且該復(fù)合物中富含與應(yīng)激相關(guān)的泛素化底物。

（3）相分離特性：使用PhaSePred預(yù)測相互作用子的相分離特性，發(fā)現(xiàn)可溶性II級(jí)分中的潛在相互作用子更可能發(fā)生相分離。

結(jié)論：CASP2在細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)中通過形成泛素應(yīng)激小體參與蛋白質(zhì)質(zhì)量控制。這一發(fā)現(xiàn)為理解細(xì)胞如何應(yīng)對應(yīng)激提供了新的視角，強(qiáng)調(diào)了CASP2在泛素化調(diào)節(jié)中的重要性。未來進(jìn)一步研究CASP2與其他蛋白質(zhì)的相互作用及其在細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)中的具體機(jī)制，將有助于揭示其在細(xì)胞生物學(xué)中的更廣泛功能。

圖 4：CASP2 整合到泛素陽性縮合物中

CASP2調(diào)控過載泛素的機(jī)制進(jìn)行了深入探索，發(fā)現(xiàn)CASP2通過其UIML區(qū)域與超載的泛素鏈結(jié)合。研究思路解析：

 1. CASP2的結(jié)構(gòu)與功能：

（1）CARD域的重要性：CASP2包含一個(gè)保守的半胱天冬酶激活和招募結(jié)構(gòu)域（CARD），該域?qū)τ谛纬杉?xì)胞內(nèi)的模塊結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。

（2）UIML域的發(fā)現(xiàn)：研究者發(fā)現(xiàn)CARD域中的一個(gè)保守序列（Phe102-Thr109，F(xiàn)CEALRET）與經(jīng)典的泛素結(jié)合域（UIM）相似，能夠在體外與泛素形成凝聚體。

 2. 突變體分析：通過構(gòu)建UIML殘基突變體（如CARD-3A和CARD-3E），研究者發(fā)現(xiàn)這些突變體無法結(jié)合泛素鏈，表明UIML域在結(jié)合泛素鏈中起關(guān)鍵作用。CASP2的CARD結(jié)構(gòu)域被證明能夠在體外與多聚泛素鏈結(jié)合，而缺失CARD域的突變體則失去這種能力。

 3. 熱休克的促進(jìn)作用：熱休克條件下，CASP2的CARD域與細(xì)胞裂解物中的泛素鏈結(jié)合顯著增強(qiáng)，而UIML突變體則未能表現(xiàn)出這種結(jié)合能力。

 4. 細(xì)胞內(nèi)行為的觀察：

（1）凝聚物的形成：在細(xì)胞中，野生型CARD結(jié)構(gòu)域（CARD-WT）能夠形成凝聚物，而UIML突變體則保持彌散分布，表明UIML域?qū)ASP2的聚集至關(guān)重要。

（2）超載泛素化的影響：使用泛素激活酶（E1）抑制劑的處理，阻斷超載的泛素化，導(dǎo)致CASP2無法形成可檢測的斑點(diǎn)，進(jìn)一步證明了CASP2的招募依賴于超載泛素鏈的形成。

結(jié)論：CASP2通過其CARD結(jié)構(gòu)域中的UIML域結(jié)合超載的泛素鏈，這一結(jié)合對于CASP2的招募到副應(yīng)激體中是bi不可少的。這一發(fā)現(xiàn)為理解CASP2在細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)中的作用提供了新視角。

圖 5：CASP2綴合物與超載泛素化高度相關(guān)

CASP2（半胱天冬酶-2）具有針對超載泛素化的去泛素化酶（DUB）活性，這為理解其在細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)中的作用提供了新視角。

作者推測CASP2可能具有DUB活性，因?yàn)槠鋵Ψ核氐淖饔门c許多已知的DUB相似。USP21的過表達(dá)會(huì)減少細(xì)胞中的整體泛素鏈庫，而CASP2則僅減少過量的泛素鏈，這表明CASP2的DUB活性特異性針對超載的泛素化。驗(yàn)證思路解析：

1. CASP2的活性檢測：通過觀察CASP2在細(xì)胞中的表達(dá)和活性形式（全長CASP2和缺失CARD的CASP2）對異位表達(dá)的泛素鏈的影響，確認(rèn)其去泛素化能力。研究發(fā)現(xiàn)，CASP2能夠顯著降低細(xì)胞中外源性泛素鏈的水平。

2. 突變研究：通過突變分析，確定了CASP2催化口袋中的關(guān)鍵氨基酸殘基，這些殘基可能參與泛素的識(shí)別和切割。特別是，Arg 219、Gln 318和Ala 376的突變會(huì)阻止CASP2對泛素鏈的裂解，表明這些位點(diǎn)在CASP2的DUB活性中起關(guān)鍵作用。

3. 細(xì)胞凋亡的關(guān)聯(lián)：研究還發(fā)現(xiàn)，CASP2的DUB活性與細(xì)胞凋亡之間存在聯(lián)系。某些突變體（如L439A）在保持去泛素化活性的同時(shí)，顯著減少了細(xì)胞凋亡，表明CASP2的DUB活性可能在應(yīng)對蛋白質(zhì)組應(yīng)激時(shí)保護(hù)細(xì)胞。

4. 酵母模型的驗(yàn)證：研究還擴(kuò)展到酵母模型，發(fā)現(xiàn)酵母中的半胱天冬酶同源物MCA1在應(yīng)激條件下也能切割泛素鏈，支持CASP2在維持泛素穩(wěn)態(tài)中的進(jìn)化保守功能。

結(jié)論：CASP2被確認(rèn)具有針對超載泛素鏈的去泛素化活性，這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了其在細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)中的新角色，也為理解細(xì)胞如何處理蛋白質(zhì)聚集提供了重要線索。

圖 6：CASP2 通過 UIML 結(jié)合超載泛素鏈

圖 7：CASP2 是針對超載泛素鏈的 DUB

CASP2在維持細(xì)胞內(nèi)泛素化穩(wěn)態(tài)方面扮演著關(guān)鍵角色。本研究主要發(fā)現(xiàn)：

1.CASP2的功能：

（1）去泛素化活性：CASP2是重要的蛋白酶，能夠恢復(fù)因應(yīng)激而超載的泛素化綴合物的穩(wěn)態(tài)。它通過其泛素結(jié)合的UIML區(qū)域被招募到這些綴合物中，并作為去泛素化酶（DUB）促進(jìn)底物的降解，從而減輕蛋白質(zhì)的毒性狀態(tài)。

（2）du特的切割模式：CASP2的切割偏好與傳統(tǒng)的半胱天冬酶不同，它能夠靶向多聚泛素鏈，這一發(fā)現(xiàn)加深了對半胱天冬酶切割特異性的理解。

（3）細(xì)胞保護(hù)作用：CASP2在細(xì)胞健康中發(fā)揮保護(hù)作用，尤其是通過減少病理蛋白TDP-43的積累，表明它在應(yīng)對細(xì)胞應(yīng)激和維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)方面的重要性。

2.生物分子凝聚物：

在應(yīng)激條件下，超載泛素化綴合物與蛋白酶體形成生物分子凝聚物（副應(yīng)激體）。與副應(yīng)激體形成有關(guān)的因素包括過度合成泛素并形成多泛素鏈，蛋白質(zhì)降解受損，以及錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)的積累。副應(yīng)激體可能與多種伴侶蛋白和蛋白酶體相關(guān)，這些蛋白在應(yīng)激下幫助隔離超載的泛素化蛋白質(zhì)。

3.對神經(jīng)退行性疾病的影響：

CASP2在神經(jīng)肌肉去神經(jīng)支配中發(fā)揮作用，缺乏CASP2的小鼠表現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元疾病的常見表型。這表明促進(jìn)CASP2的激活可能是恢復(fù)蛋白酶體功能的一種新方法，并可能為治療ALS提供潛在的策略。

總結(jié)：CASP2作為一種應(yīng)激半胱天冬酶，不僅在細(xì)胞凋亡和存活中具有雙重作用，還在維持泛素穩(wěn)態(tài)和應(yīng)對細(xì)胞應(yīng)激中發(fā)揮重要作用。其du特的切割模式和在副應(yīng)激體形成中的角色為理解細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)提供了新的視角。

參考文獻(xiàn)：

[1] Ge, Y., Zhou, L., Fu, Y. et al. Caspase-2 is a condensate-mediated deubiquitinase in protein quality control. Nat Cell Biol (2024). doi:10.1038/s41556-024-01522-8