泛素化干货，速看！就现在，这条小鱼在乎

2023-05-17 21:17:48, CC

高分期刊总是代表了科学前沿动态，前不久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引起了不小的轰动，受到了多方关注，又一次把泛素化拉入大众眼帘。

今天小编话不多说，干货分享，给大家介绍一下泛素化的相关内容。

泛素化生信思路

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一

泛素化

蛋白质泛素化是一种动态的、多方面的翻译后修饰，涉及多个细胞过程。泛素是一种76个氨基酸的蛋白，具有7个赖氨酸残基（K6、K11、K27、K29、K33、K48和K63），这些残基都可以泛素化形成独特的多聚泛素链。不同的多聚泛素链介导不同的信号通路来决定底物蛋白的命运。

泛素化是一个多步骤的过程，包括泛素被E1酶激活，泛素与E2酶结合，泛素通过E3酶连接到底物蛋白。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e-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。泛素化可以导致底物的蛋白酶体降解或底物的招募到多蛋白复合物，这取决于多聚泛素链连接的拓扑结构。

图1

二

泛素化修饰与细胞周期调控

对所有真核细胞而言，将蛋白质标记上泛素对正确的细胞分裂至关重要。SCF(skp1–cullin1–F-box)与APC/C(anaphase-promoting complex / cyclosome)E3连接酶对细胞周期调控最重要，它们具有相似的结构，都含有cullin(SCF)或cullin(APC/C)相关脚手架作为RING结构域结合E2以及底物从而催化泛素化反应。SCF，APC/CE3连接酶和细胞形成了一种双向调控关系：E3s调控细胞周期，但是与此同时，细胞周期调控泛素化。而近年来的研究又进一步发现非典型泛素化修饰，新的底物与E3s以及不同的细胞周期相关E3s的相互调控在细胞周期调控中具有不容忽视的作用。

三

泛素化修饰与DNA损伤修复

面对各种损伤因子的频繁刺激(外部如紫外辐射与化学致癌剂；内部如活性氧)，基因组不可避免会出现损伤，因此及时的DNA损伤修复对保持基因组完整性是必需的。DNA修复通路主要包括：核苷酸切除修复、碱基切除修复、错配修复、同源重组以及非同源末端连接修复。现有研究发现相当一部分DNA修复蛋白存在着极为动态的泛素化修饰，并与上述DNA修复通路功能状态紧密相关，尤其引人注意的是DNA修复蛋白的单泛素化修饰存在与否对同源重组途径及跨损伤修复途径产生的巨大影响。

例如，FANCD2(范可尼贫血互补群D2)在处于各种DNA损伤条件下时可特异性地在第561位赖氨酸上被单泛素化修饰。单泛素化修饰的FANCD2被募集到染色体相关核灶处，并与BRCA1和BRCA2以及其他DNA修复蛋白相互作用。将FANCD2上第561位赖氨酸突变为精氨酸可破坏FANCD2的单泛素化修饰，从而破坏FANCD2与其他一系列DNA修复蛋白的相互作用进而导致DNA修复失败。

四

泛素化与细胞自噬、细胞代谢

在哺乳动物细胞中，ULK1和PI3K-III激酶复合物是负责自噬启动和自噬小体形成的两种主要蛋白。泛素连接酶TRAF6介导K63连接泛素链的形成，在诱导自噬中起重要作用。TRAF6促进ULK1的K63泛素化，从而增强ULK1的稳定性和功能。TRAF6还可以催化Beclin-1 K63的泛素化。Beclin-1泛素化发生在BH3结构域，从而阻断Beclin-1与Bcl-2相互作用，从而促进自噬反应。研究显示，由UBE3C和TRABID调控的VPS34 K29/K48链泛素化调控自噬、蛋白质稳态和肝脏代谢。

图2

五

泛素化修饰与细胞凋亡

越来越多的研究发现对凋亡蛋白的泛素化修饰在细胞死亡信号通路中起着不容忽视的巨大作用。凋亡抑制因子IAP可影响半胱天冬酶与SMAC的稳定性。通过对凋亡不同途径不同底物的泛素化修饰，IAP不仅可抑制线粒体途径的凋亡通路，还可抑制外源性途径凋亡通路。有研究表明，E3连接酶MDM2可泛素化p53，从而促进其降解；小鼠单独敲除MDM2具有胚胎致死性，但同时敲除p53则可避免此效应。这种现象提示p53为MDM2的主要靶蛋白，而且当MDM2被敲除后p53水平会得到明显提高。另外，p53敲除小鼠与p53及MDM2双敲小鼠容易患相同类型肿瘤，并具有十分类似的生存曲线，进一步证明了MDM2-p53之间的调控关系及其对细胞生存与肿瘤形成的巨大影响。

六

泛素化与肿瘤

肿瘤抑制和肿瘤促进途径都是由泛素化调控的。这在通常有几种底物的泛素连接酶中尤其明显。根据底物的性质，一个泛素连接酶可以同时作为致癌基因和肿瘤抑制因子。泛素连接酶可以通过多种方式影响肿瘤发生，因为它们能够改变其底物的命运和功能（图3）。

泛素化对癌症中蛋白质稳定性的调节。泛素连接酶调节癌基因或肿瘤抑制因子的稳定性——以泛素化为标记的蛋白质被运输到蛋白酶体或溶酶体进行降解。

致癌基因和肿瘤抑制因子的活性可以通过泛素化来改变。一个很好的例子是致癌的GTPase K-Ras，即使在没有受体刺激的情况下，它也能被单泛素化激活。泛素化也可能增强与PI3K（磷脂酰肌醇3-激酶）的结合，从而激活PI3K-AKT信号转导。这一机制有助于Ras G12V突变体的致瘤活性，该突变体存在于结直肠肿瘤、肺癌（主要是非小细胞肺癌）和胰腺癌中。

图3

癌症中的去泛素化酶变异。泛素连接酶的作用被去泛素化酶去除，它们的活性通常对特定的底物蛋白和/或特定形式的泛素修饰具有非常选择性的。一些去泛素化酶，如A20、CYLD和BAP1，是肿瘤抑制因子，其编码基因在许多人类恶性肿瘤中发生突变。

不同的去泛素化亦可以调节肿瘤的发生。BAP1可以去泛素化PTEN，降低SLC7A11启动子上的H2AUb，从而抑制肿瘤的发展和转移。OTUD1可以消除SMAD7中的K48连接的泛素链。USP43-NuRD复合物催化H2BK120去泛素化，抑制下游EGFR。USP7可以通过去泛素化来稳定EZH2和FOXA1，促进肿瘤生长，并且USP7上调肿瘤微环境中PD-L1的表达。SUMOylated-OTUB2去泛素化YAP/TAZ，以一种Hippo非依赖的方式增强肿瘤细胞的增殖和转移。DUB3可以通过去泛素化来稳定Snail1，并抑制β-TrCP1和fbxl14介导的泛素化降解（图4）。

图4

七

泛素化与免疫

典型的NF-κB通路的改变与多种人类免疫学疾病有关。例如，I-κB激酶复合物（IKK）和NEMO的调节亚基的改变，它们被泛素化并结合泛素链，严重影响免疫反应和多种表皮组织。最近的研究报道（PMID: 36800290），E3泛素连接酶RNF138作为炎症反应的早期应答分子，通过K48多聚泛素化修饰并降解SWI/SNF复合体的核心组分SMARCC1来抑制天然免疫应答晚期炎症因子产生，进而有效抑制免疫炎症反应。

八

泛素化和神经退行性变

不同退行性疾病中蛋白质聚集体的组分与定位都不相同，但它们都对抗泛素抗体有免疫活性，越来越多的研究证明，泛素依赖的蛋白酶体降解系统(UPS)的异常与蛋白质聚集体的形成紧密相关从而参与神经退行性病变（图5）。

1.泛素化修饰与帕金森

路易氏小体(Lewy bodies)，主要由a-突触核蛋白组成的蛋白质聚集体，是帕金森氏病的诊断特征，大多数的路易氏小体中的a-突触核蛋白都处于单泛素化或双泛素化修饰的状态下。在培养的多巴胺能细胞中，泛素化似乎能增加蛋白质聚集程度与a-突触核蛋白的神经毒性。但泛素化的效果具有位点特异性，不同赖氨酸位点的泛素化可以显著增强或者抑制原纤维的形成。

2.泛素化修饰与阿尔兹海默症

神经元胞外的b-淀粉样蛋白斑和胞内的神经原纤维缠结是阿尔茨海默氏病的病理特征之一，而二者正是由高度磷酸化与泛素化的tau蛋白组成的蛋白质聚集体。从阿尔茨海默氏病患者的脑组织标本与tau蛋白病变的小鼠模型的研究中发现，UPS效率的降低以及受到抑制的自噬-溶酶体通路与tau在突触末端的异常累积明显正相关。