图说 | 泛素密码
The following article is from 珠江肿瘤 Author 李雪纯
❖背景
泛素（Ubiquitin, Ub）系统通过控制蛋白质的寿命，广泛参与了信号传导、细胞周期进程、转录调控，DNA修复等重要的细胞过程。泛素通过泛素化这一翻译后修饰（PTM）过程标记需要分解的蛋白质，被泛素化的靶蛋白会被26S蛋白酶体识别和降解。特殊的泛素受体蛋白可以将泛素修饰编码的信号转换为细胞应答。
❖1. “书写”和“擦除”泛素密码
翻译后修饰（PTM）极大地增强了细胞蛋白质组的功能，这对于细胞的正常生长和功能至关重要。在PTM中，泛素化涉及单个泛素或各种泛素链的可逆结合。
✍︎泛素密码的“书写”——泛素化过程
泛素由76个氨基酸组成，其C末端甘氨酸可以通过三步酶促过程共价结合底物蛋白的赖氨酸残基。
活化：泛素激活酶（E1）催化泛素激活，ATP提供能量，泛素羧基端和E1中半胱氨酸的巯基端形成硫酯键。
结合：E1将活化后的泛素转移到泛素结合酶（E2）的半胱氨酸的巯基上。
连接：泛素连接酶（E3）催化泛素级联反应的最后一步，将结合到 E2 的泛素转移到目标蛋白上，使目标蛋白的一个赖氨酸与泛素的羧基端的一个甘氨酸通过异构肽键连接。
・HECT（homologous to the E6AP carboxyl terminus，与E6AP羧基末端同源）结构域家族的E3通过两步反应催化泛素转移至底物蛋白：泛素与E3酶 HECT 结构域中保守的半胱氨酸残基通过硫酯键而形成E3-泛素复合物，然后从E3转移至底物。
・非HECT结构域家族的E3s含有RING(Really Interesting New Gene) 结构域，变体RING结构与或U-box结构域。它们不具有酶促活性，直接将泛素分子从E2泛素复合物中转移到底物蛋白质之上，而不与泛素分子发生结合。
✂︎泛素密码的“擦除”——去泛素化过程
泛素化过程可以通过去泛素化酶（de-ubiquitinating enzymes, DUBs）逆转，DUBs可以将泛素从底物蛋白上特异性切除，因此，泛素化是一种高度动态化的修饰过程。
人类基因组可以编码两种E1，超过30种E2，近600种E3和100个DUBs。
❖2. 扩展泛素密码——泛素化修饰的多样性
泛素由76个氨基酸组成，是分子量仅8.5kDa的小肽，普遍存在于真核细胞内，序列高度保守。泛素分子内部含有7个赖氨酸残基（K6、K11、K27、K29、K33、K48、K63）和1个N末端甲硫氨酸残基（M1）。
泛素分子可以通过这些残基与另一个泛素分子结合形成链，组装成多泛素链是一个高度协调的过程，会产生特定的链拓扑泛素化修饰根据其结合方式不同可以分为同型的多聚泛素化修饰（homotypic chains）和异型的多聚泛素化修饰（heterotypic chains）。
➢同型的多聚泛素化修饰：靶蛋白泛素链上的每一个泛素分子之间都可以通过同样一个氨基酸残基彼此相连。
➢异型的多聚泛素化修饰：靶蛋白泛素链上的泛素分子之间存在多种类型的氨基酸残基之间的相互连接状态。
➢此外，底物蛋白可以在不同位点被单个泛素结合，泛素还可以被其他翻译后修饰过程修饰，如通过线粒体激酶PINK1介导的Lys6或Lys48乙酰化或泛素的Ser65（pS65-Ub）磷酸化。
➢去泛素化酶DUBs在去泛素化途径中具有重要的功能，可以将一种链类型转换为另一种链类型，也可以移除底物蛋白上的单个泛素分子或多聚泛素链。
这些泛素链拓扑结构各异；随着泛素链长度的延伸，其拓扑结构的复杂性呈现指数型增长。泛素链拓扑结构的复杂多样为生物学信号传递的载体提供了结构基础。因此，底物蛋白上不同泛素链种类和比例的改变可能介导了不同信号之间的转换，形成了严密调控的“泛素密码”。
❖3. 识别泛素密码并将其转换为细胞应答
标记在蛋白上的泛素密码代表复杂且独特的信息，需要进行解码。这通过有一个或多个泛素结合结构域（Ub-binding domains, UBDs）的泛素受体蛋白来实现。泛素受体蛋白的UBDs能够感知不同泛素链的独特拓扑结构。
泛素分子表面存在几个对于其发挥生物学功能不可或缺的重要的疏水表面，其中由Ile44、Leu8、Val70以及His68组成的疏水口袋介导泛素单体与蛋白酶体和大多数UBDs结合。已知有20多种不同家族的UBDs结合泛素上的不同表面位点，主要的是围绕Ile44。
泛素受体蛋白还包含有相互作用或酶活性作用的结构域，可以将泛素信号传递给特定的细胞信号通路。
➢不同的Ub链类型与不同的细胞途径相关。
K48泛素链导致底物的蛋白酶体降解
M1泛素链与NF-kB途径中的多聚信号复合物的组装有关
S65磷酸化的泛素介导自噬去除受损的线粒体
➢不同类型的泛素链被含UBDs的泛素受体所识别，从而参与不同生物学过程的调控。
如在DNA修复过程中，参与的泛素链类型有K6泛素链、K27泛素链、K33泛素链、K63泛素链，泛素链修饰的底物蛋白为H1组蛋白，识别泛素密码的泛素受体蛋白有Rnf186、Rap80、BRCA1、53BP1。
❖4. 靶向泛素系统的药物开发
泛素化参与调节许多细胞过程，泛素密码的形成、切除以及识别过程受到干扰与多种疾病发生和发展有关。针对与某些疾病相关的关键蛋白的泛素化靶点，可以开发单靶点或多靶点药物。
A）E1、E2、E3或DUBs均可被小分子抑制剂特异性抑制
尽管针对E1和E2的药物在临床前试验中几乎没有获益，但针对使p53等肿瘤抑制蛋白发生蛋白酶体降解的E3酶活性抑制却有可喜的结果。
✔通过干扰E3与不同底物结合的小分子抑制剂可以实现特异性抑制
Nutlin-3特异性阻断E3连接酶Mdm2与肿瘤抑制因子p53的结合，而其他Mdm2的底物蛋白则不受影响。
✔E3的小分子激活剂
Smac模拟物与IAP（凋亡抑制蛋白）E3结合，使IAP发生自身泛素化和降解，从而促进肿瘤细胞的死亡。
✔靶向稳定癌基因的DUB
目前，几种以Mdm2为底物的Usp7抑制剂正处于临床前试验阶段。
B）抑制蛋白酶体，导致高度增殖的细胞死亡
✔第一代蛋白酶体抑制剂Velcade（硼替佐米Bortezomib）
硼替佐米Bortezomib是第一个获得FDA批准的针对泛素系统的药物，可以可逆性结合20S蛋白酶体的亚基，抑制蛋白酶体催化底物降解的活性，在治疗多发性骨髓瘤和淋巴瘤等方面已有不错的疗效。
✔第二代蛋白酶体抑制剂卡非佐米(Carfilzomib)
卡非佐米(Carfilzomib)和蛋白酶体的亚基结合形成不可逆的蛋白酶体抑制效果，使药效更持久。
C）将E3靶向特定的底物蛋白
✔沙利度胺Thalidomide和其他免疫调节药物（IMids）
这类小分子作为桥梁，特异性结合广泛表达的E3，如CRL4（CRBN），和有害蛋白质，从而标记蛋白质使其发生蛋白酶体降解，在治疗多发性骨髓瘤中起抗肿瘤发生作用。
D )抑制泛素密码的识别
✔理论上，可以设想靶向Ub/UBD结合界面的分子，从而实现阻止泛素信号的识别。
这将是具有高度特异性的方法，然而，尽管近年来取得了显着进展，但仍需要更多的结构上和功能上的信息来充分了解泛素受体蛋白如何在体内识别和翻译泛素密码。
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