依然是研究热点！113分顶级Nature子刊综述为你详解「泛素化」修饰！

高分期刊一定程度上代表了科学前沿动态。

今年以来，关于泛素化的研究在Cell Discovery（IF=38）已发表2篇。

2023年5月8日，中国医科大学孙英贤团队在Cell Discovery（IF=38）在线发表题为“BAF155 promotes cardiac hypertrophy and fibrosis through inhibition of WWP2-mediated PARP1 ubiquitination”的研究论文，该研究发现BAF155可以通过抑制WWP2介导的PARP1泛素化促进心脏肥大和纤维化。

2023年3月1日，Cancer Discovery刊登的一种泛素化调控肿瘤综合应激反应和生存的级联反应的文章，题为：A Ubiquitination Cascade Regulating the Integrated Stress Response and Survival in Carcinomas

2022年10月25在Nature子刊《Nature reviews molecular cell biology》（IF值为113分）上，发表题为“An expanded lexicon for the ubiquitin code”的综述性文章，详尽介绍了蛋白质泛素化修饰的研究进展和所面临的问题。

今天小编就自己之前的一些理解，再结合这篇高分综述，给大家介绍一下泛素化的相关内容。

蛋白作为生命功能的主要的执行物质，蛋白质稳态对细胞功能的正常发挥是至关重要的。在其行使完其功能或者在合成、折叠、转运等过程中，有时会发生错误或损伤时，这时需要及时启动降解和清除计划，如果该过程出现问题，则会引发各种病变。

例如，蛋白稳态失衡在一系列的神经退行性病变中是很常见——中枢神经系统的细胞内或细胞外异常聚集着突变或损伤的蛋白，包括阿尔兹海默症、帕金森症和肌萎缩性脊髓侧索硬化症等。

人类细胞中存在两类主要的蛋白质降解途径，即泛素-蛋白酶体系统（ubiquitin-proteasome system，UPS）和溶酶体-自噬通路。80%-90%蛋白质的降解是由泛素-蛋白酶体系统介导完成的。

泛素-蛋白酶体系统的构成泛素-蛋白酶体系统主要由泛素（ubiquitin，Ub）、泛素活化酶E1、泛素结合酶E2、泛素连接酶E3、去泛素化酶（deubiquitylating enzymes，DUBs）和26S蛋白酶体组成。

在泛素-蛋白酶体系统（UPS）中，泛素（Ub）用于「锁定目标」，结合到靶蛋白上，形成多聚泛素链【该步也被称为泛素化】；而蛋白酶体用于识别、降解带有多聚泛素链的靶蛋白。

泛素化的概念泛素化（Ubiquitination）是指泛素分子在一系列特殊的酶作用下，将细胞内的蛋白质分类，从中选出靶蛋白分子，并对靶蛋白进行特异性修饰的过程，是蛋白质组中最普遍的翻译后修饰之一。

在真核生物中，泛素化通过触发蛋白酶体底物降解、改变底物的活性或介导与底物相互作用的蛋白质的变化来调节细胞内信号网络。

泛素化是一个多步骤的过程，通常需要3种泛素化酶的协同作用：泛素活化酶、泛素结合酶和泛素-蛋白连接酶。

（1）泛素活化酶（ubiquitin-activating enzymes，E1）

泛素活化酶是泛素与底物蛋白结合所需要的第一个酶，对靶蛋白的特异性没有影响。在结构上含有位置固定的保守的半胱氨酸残基，通过半胱氨酸残基与泛素的C端形成高能硫酯键而激活泛素。（2）泛素结合酶（ubiquitin-conjugating enzymes，E2）所有的泛素结合酶都含有一个保守的约150个氨基酸残基的核心结构域，结构域的中央是决定其酶活性的半胱氨酸残基。E1和E3通过相同的基序与E2连接，所以E2在反应循环过程中必须E1和E3之间穿梭往返运行。（3）泛素-蛋白连接酶（ubiquitin-protein ligases，E3）泛素-蛋白连接酶在泛素化途径中起到关键作用，它连接泛素结合酶和特异性底物，将活化的泛素链转移到特异性底物的赖氨酸残基上，通过识别多聚泛素链而有目的地降解蛋白质。高等生物的泛素-蛋白连接酶总数为数百至一千以上。根据泛素向靶蛋白转移的具体结构域的不同，将E3s进一步分为三类：含HECT结构域的E3、含RING结构域的E3以及含 U-box 结构域的E3。正是由于这些复杂多变的E3家族成员可以对不同底物进行特异性识别，泛素化途径才呈现出蛋白降解的高度选择性。

泛素化过程需要被蛋白酶体降解的蛋白质会先被连接上泛素作为标记，即蛋白质上的一个赖氨酸与泛素之间形成共价连接。✔ 首先，泛素活化酶（E1）利用ATP提供的能量在泛素C端赖氨酸(Lys)残基上的羧基基团与自身的半胱氨酸(Cys)残基上的巯基基团间形成高能硫酯键，从而活化泛素分子。✔ 然后，激活的泛素通过硫酯键再被接合到泛素结合酶（E2）的Cys残基上。✔ 最后，高度保守的泛素连接酶（E3）家族中的一员识别特定的需要被泛素化的靶蛋白，并催化泛素分子从E2上转移到靶蛋白上。

泛素化类型泛素分子全长包含7个赖氨酸（Lys）位点（K6、K11、K27、K29、K33、K48和K63）、一个位于N端的甲硫氨酸（Met）位点（M1）以及一个位于C端的甘氨酸（Gly）位点（G76）。

根据现有研究，无论在细胞内环境还是胞外反应体系，泛素自身的每个赖氨酸位点以及N端的甲硫氨酸(Met1)位点都可以发生泛素化从而延伸泛素链。

根据泛素与底物的连接位点，目前有8种方式的泛素化，包括K6，K11，K27，K29，K33，K48，K63，M1。

如果靶蛋白结合单个泛素分子，则称为单泛素化；如果靶蛋白的多个 Lys 残基同时被单个泛素分子标记称为多泛素化；而靶蛋白的单个Lys残基被多个泛素分子标记则称为多聚泛素化。

不同的泛素化链长度及多种多样的泛素化链类型介导不同的信号通路来决定底物蛋白的命运，在蛋白质活性、蛋白-蛋白相互作用以及蛋白质亚细胞定位中发挥极为重要的调控功能。其中对K48和K63位多聚泛素化的研究最广泛。不同方式的泛素化调控不同的功能：

综上可看到，泛素化在蛋白质的定位、代谢、功能、调节和降解中都起着十分重要的作用。

泛素化通过对蛋白质稳定性、活性、亚细胞定位以及与其它蛋白质相互作用等方面进行调控，广泛参与了诸如免疫反应调控、线粒体自噬、DNA损伤修复、细胞周期调控、表观遗传调控、细胞增殖、凋亡和蛋白质降解等几乎一切生命活动的调控。

因而一旦失调，就会引发诸如癌症、肌肉营养不良、免疫疾病以及代谢综合征等病变。

泛素化是信号通路研究不可或缺的一个重要过程，也是蛋白功能研究的新领域，很多临床诊断和药物开发的靶点与泛素化密切相关。

基于泛素化通路的蛋白降解已被认为是肿瘤及神经退行性疾病的一种极具前景的治疗策略。因此，泛素化近年来已经成为信号通路研究的热点问题，有很好的研究前景。

去泛素化其他的翻译后修饰一样，泛素化也是一个被严格调控的可逆过程，可以被一大群蛋白酶逆转，这些蛋白酶称为去泛素化酶（DUBs），使泛素化修饰具有良好的平衡性。

研究表明，细胞内广泛存在许多去泛素化酶（DUBs）。大部分的去泛素化酶可以把泛素从底物蛋白分解释放出来，编辑泛素链和处理泛素前提体，有一些去泛素酶和相关的酶与编辑或处理泛素样蛋白以及结合蛋白有关。

到目前为止，在人类中已发现大约100个DUBs，6大家族。

去泛素化酶对泛素化过程不仅起着抑制作用，而且可以通过分解泛素化抑制因子、再循环泛素分子、校对泛素化进程等方式促进泛素化过程，从而与泛素化系统共同组成一个复杂的调控网络。

总而言之，泛素化和去泛素化是一个整体的、动态的、特异性的生物学过程。泛素化和去泛素化的平衡影响了细胞内很多可溶性蛋白质的命运，调节了包括蛋白分选、蛋白降解、DNA修复、转录激活和基因沉默等大量的生物学过程。

结语自从1975年泛素被发现以来，各类相关研究层出不穷。2004年，Ciechanover，Hershko和Rose因发现泛素介导的蛋白质降解共同获得诺贝尔化学奖。

泛素化相关文章发表也呈逐年上升趋势，在2012年PubMed发文数量就达到5000篇，并一直保持增长。

泛素化在国自然中也是一大热点，中标项目数一直保持稳定的增长，是一个不错的研究方向。

但是由于泛素化的复杂性，人们目前的认知只是冰山一角，很多问题仍有待探索。✔ 目前，泛素连接酶E3作为泛素化传递链的最后一步，其底物仍是该领域研究的热点。✔ 目前，还有多少其他类型的泛素修饰，仍然是难以捉摸的问题。未来研究者要克服的挑战，是开发用于检测和调节这些泛素修饰的工具和方法。

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【2】DOI：10.1038/nrd.2017.152

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【4】DOI:10.3390/biom4030862

【5】DOI: 10.3390/ijms20010210

【6】DOI: 10.1016/j.semcancer.2019.12.013

【7】DOI: 10.1016/s0006-291x(03)00245-6

【8】DOI: 10.1038/s41418-020-00708-5

【9】DOI: 10.1083/jcb.201902074

【10】DOI:10.1038/s41580-022-00543-1