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科学通报，中国科学C辑:生命科学，这两份期刊均是由中国科学院和国家自然科学基金委员会共同主办的，我国学术期刊中的知名品牌，被国内外各主要检索系统收录，如国内的《中国科学论文与引文数据库》（CSTPCD）、《中国科学引文数据库》（CSCD）等；美国的SCI、CA、EI，英国的SA，日本的《科技文献速报》等。目前针对每期的重点内容，生物通将展开详细推荐，欢迎读者共同参与……
生物通报道：由于泛素化的多样性与多价性, 泛素化广泛参与各种生理过程, 包括细胞增殖、凋亡、自噬、内吞、DNA损伤修复以及免疫应答. 另外, 泛素化失调在疾病中也发挥重要作用, 如癌症、神经退行性病变、肌肉营养不良、免疫疾病以及代谢综合征. 而尤其对于肿瘤以及神经退行性病变, 针对泛素化通路的调控已被认为是肿瘤及神经退行性病变的一种有前景的治疗策略.
近期来自北京大学医学部基础医学院的研究人员通过介绍泛素化在细胞周期、受体内化、DNA损伤修复及细胞凋亡中所扮演的角色来阐述泛素化作为细胞最复杂且最重要的PTM之一, 如何发挥其多层面的调节功能参与各个生理过程以维持细胞稳态, 以及泛素化异常又如何参与并涉及临床重大疾病如癌症与神经退行性疾病的病理过程, 从而为细胞生物学基础研究与临床重大疾病提供新的见解与思路.
为维持自身稳态(homeostasis), 细胞必须能够及时回应内部及外部环境的迅速变化, 而针对特定蛋白质的翻译后修饰(post-translational modification, PTM)正是一种极其敏感、迅速并且可逆的调节方式. 小分子修饰如磷酸化、甲基化及乙酰化修饰的机制与功能在细胞生物学的各个方面都已得到广泛而深入的研究. 而泛素化(ubiquitination), 作为一类作用方式更加复杂且作用结果更加多样的蛋白质修饰, 在细胞生命周期各个方面扮演着同样重要的角色. 通过对蛋白质稳定性、定位、活性以及相互作用的调控,泛素化广泛参与了诸如转录调节、DNA损伤修复、细胞周期、细胞凋亡、囊泡运输等生理过程.
与磷酸化、甲基化以及乙酰化修饰所添加的单一基团不同, 泛素(ubiquitin, Ub)是一种由76个氨基酸组成的小分子蛋白质, 广泛存在于所有真核细胞中, 且序列高度保守, 从酵母到人仅相差3 个氨基酸.
泛素化是指泛素在一系列酶的催化作用下共价结合到靶蛋白的过程. 泛素化过程通常需要3种泛素化酶的协同作用: E1 泛素激活酶(ubiquitin-activating enzyme)、E2 泛素偶联酶(ubiquitin-conjugating enzymes)和E3泛素连接酶(ubiquitin-ligase enzymes). 首先, 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E2的Cys残基上. 最终, 激活的泛素或者通过E2直接连到蛋白底物上, 或是在E3作用下通过泛素的羧基末端与靶蛋白Lys残基的ε-氨基之间形成氨基异肽键而将泛素转移到靶蛋白上. 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. 在这一系列酶促级联反应当中, E3在靶蛋白的特异性识别以及泛素化系统活性的调控中起着最重要的作用.
泛素分子全长包含7 个赖氨酸位点(K6, K11, K27, K29, K33, K48和K63)和1个位于C端的甘氨酸(Gly)位点以及位于N端的甲硫氨酸(Met1)位点. 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. 其中对K48和K63位多聚泛素化的研究最广泛, 而其他类型的泛素化链研究较少且被认为是非典型泛素化. 但是随着对泛素化链的装配、识别以及水解的深入研究, 非典型泛素化的功能与意义也逐渐得到了重视.
由于泛素化修饰对底物的巨大影响, 因此与其他PTM如磷酸化、乙酰化相似, 泛素化也是一个被严格调控的可逆过程, 尤其是去泛素化酶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(deubiquitinating enzymes, DUBs), 主要分为以泛素羧基末端水解酶家族和泛素特异性加工酶家族为主的5种类型. 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覆盖几乎所有细胞功能的复杂网络.
尽管许多泛素化修饰的原则得到了阐明, 但泛素化修饰的生化机制与生理功能远未得到充分理解, 例如, 泛素化本身如何被调控以及泛素化与其他PTM如磷酸化、乙酰化之间的相互关系.
这篇文章简要介绍了泛素化的一些细胞生物学功能和泛素化异常参与的两种重要疾病—癌症与神经退行性疾病, 尽管由于篇幅所限, 许多泛素化参与的生物学过程与疾病未能详细阐述, 但本文对了解泛素化的功能与意义的基本轮廓有所裨益.
未来的研究会进一步聚焦于泛素化修饰作为一个动态网络, 如何参与生理学进程又怎样影响生物学功能. 例如, 不同的E2s与E3s之间的联系, 不同的泛素化修饰种类(单泛素化、多泛素化以及多聚泛素化)以及不同的多聚泛素化链(连接通过Met1, Lys6, Lys11, Lys27, Lys29, Lys33, Lys48和Lys63)仍需进一步研究.
与此同时, 对于泛素化修饰的进一步理解也必将推动一系列相关疾病的研究与治疗, 近期, 线性泛素化通路(linear ubiquitination pathway)与炎症、肿瘤与自身免疫性疾病的相互关系取得了巨大突破, 并有望为上述疾病的治疗提供新思路. 因此, 随着对泛素化修饰的深入研究与治疗技术的不断发展, 对泛素化通路进行操作将成为一种富有前景的高度特异性的治疗方法.