蛋白質翻譯後修飾在生命活動中發揮著重要作用，蛋白修飾異常與諸多人類重大疾病密切相關。第一個被鑑定的蛋白質修飾系統是泛素化修飾，以共價鍵的形式將泛素分子結合到靶蛋白的賴氨酸殘基上。目前已經發現了十幾種類泛素蛋白質，它們利用相似的酶促反應修飾靶蛋白。這些類泛素化修飾包括SUMO、NEDD8、UCRP/ISG15、Atg8、Atg12、FAT10、UFM1等【1】。
UFMylation修飾（UFM1修飾）是最新被鑑定的一種類泛素化修飾【2,3】，與泛素化修飾類似，UFM1以前體形式被合成，經過UfSP1或UfSP2剪切，形成活化的UFM1-G83後被一個特定的E1樣活化酶（UBA5）激活，轉移到E2樣結合酶（UFC1）上，隨後UFC1和E3樣連接酶（UFL1，又稱NLBP或RCAD）共同識別靶蛋白，對其進行Ufmylation修飾。UFM1-靶蛋白共價結合體可以被UfSP1或UfSP2剪切，釋放UFM1參與新的循環（圖1）【4】。
圖1. UFM1修飾系統示意圖
目前人們對UFMylation修飾的了解非常有限。已有研究顯示UFMylation修飾的缺陷導致小鼠胚胎致死及多種人類疾病，說明UFMylation修飾具有極其重要的生物學功能。然而其修飾的底物譜、修飾的調控機制、及其調控的生物學過程目前仍不清晰，只有為數不多的底物被鑑定。DDRGK1作為第一個被鑑定的UFMylation修飾靶蛋白【3】，在維持UFL1的E3樣連接酶活性中發揮關鍵作用【5】。核受體共激活因子ASC1作為第二個被鑑定的UFMylation修飾靶蛋白，其UFMylation修飾能夠招募轉錄因子p300和SRC1一起結合到雌激素受體ERα下遊靶基因的啟動子上，促進ERα介導的腫瘤形成【5】。新近研究發現UFL1可以被MRE11/RAD50/NBS1蛋白複合體招募到DNA損傷點UFMylation修飾組蛋白H4，進而增強Suv39h1和Tip60的募集，ATM還可以磷酸化UFL1活化其E3樣連接酶活性進一步激活ATM形成正反饋調控【6】。同時，MRE11也存在UFMylation修飾，並且對於MRN蛋白複合體的形成和調控DNA損傷修飾不可或缺【7】。但是目前關於UFMylation修飾的底物及UFMylation修飾如何參與底物蛋白的功能調控仍不清楚。
2020年8月17日，杭州師範大學浙江省衰老與癌變生物學重點實驗室叢羽生團隊在Nature Cell Biology雜誌發表了題為UFMylation maintains tumor suppressor p53 stability by antagonizing its ubiquitination的研究論文。該工作發現：腫瘤抑制因子p53能夠被UFM1共價修飾；p53的UFMylation修飾拮抗MDM2介導的p53的ubiquitination修飾，維持p53的蛋白穩定性及腫瘤抑制功能。
腫瘤抑制因子p53是迄今發現與人類癌症相關性最高的基因，也是目前研究最多的一種抑癌基因。正常情況下，p53維持在較低表達水平，一旦細胞受到外界刺激，p53水平升高，穩定性增強，繼而促進細胞周期阻滯、調節細胞自噬和細胞衰老、幫助DNA損傷修復、促進細胞代謝及細胞凋亡來抑制細胞向惡性腫瘤的轉化。p53的轉錄激活是應急反應中最關鍵的早期事件，多種途徑能夠在應急狀態下激活p53，其中翻譯後修飾是最主要的調控機制，包括泛素化、乙醯化、磷酸化、甲基化、類泛素化修飾SUMO和Neddylation等【8】。p53在正常的細胞中維持極低的濃度，這主要是泛素連接酶MDM2的負反饋調節作用，MDM2在不同條件下誘使p53發生多泛素化或單泛素化，從而調節不同細胞過程中p53的定位、表達和穩定性【9,10】。
文章作者通過質譜、免疫共沉澱和GST-Pull Down技術分別發現p53和UFL1及DDRGK1存在相互作用，並通過體內和體外的UFMylation修飾檢測體系鑑定出p53蛋白C端賴氨酸殘基K351, K357, K370和K373均存在UFMylation修飾；在不同腫瘤細胞中敲低UFL1和DDRGK1的表達，均可以顯著影響p53的蛋白穩定性。研究報導p53蛋白這四個UFMylation修飾位點同時受到ubiquitination修飾的調控，而MDM2作為p53最主要的E3連接酶在其中發揮著關鍵作用。深入研究發現UFL1和p53結合在p53的N端，在體內和體外水平均能夠拮抗MDM2和p53的結合，通過修飾互作調控p53的蛋白穩定性。
接下來作者分析p53蛋白UFMylation修飾在DNA損傷情況下表達的變化及調節機制。研究發現藥物誘導腫瘤細胞發生DNA損傷，p53的UFMylation修飾顯著增加，而敲低UFL1和DDRGK1的表達，能夠抑制p53的UFMylation修飾，以及p53與其下遊靶基因p21在DNA損傷狀態下的蛋白累積。克隆形成實驗也進一步驗證了p53對細胞增殖的調控依賴於p53的UFMylation修飾。為了明確UFMylation修飾對於p53腫瘤抑制功能的影響，作者設計了不同的實驗對照組，並通過裸鼠成瘤實驗發現p53蛋白K351, K357, K370和K373的UFMylation修飾對於維持p53的腫瘤抑制功能至關重要，揭示UFMylation修飾對p53蛋白穩定性的調控在其中發揮著主要作用。此外，作者在臨床腎透明細胞癌患者的病理樣本中，也發現UFL1，DDRGK1和p53蛋白的表達水平存在高度正相關性，進一步提示UFMylation修飾在維持p53腫瘤抑制功能上的重要性。
據悉，叢羽生教授團隊的劉江副教授和管娣副教授為共同第一作者，浙江省腫瘤醫院魏海濱博士負責了部分臨床相關的工作，叢羽生教授為通訊作者。
原文連結：
https://www.nature.com/articles/s41556-020-0559-z
參考文獻
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本文轉載自公眾號「BioArt」（BioGossip）
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原標題：《【科技前沿】叢羽生團隊揭示UFMylation修飾在維持p53腫瘤抑制功能上的重要性》
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