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生物通報導：由於泛素化的多樣性與多價性, 泛素化廣泛參與各種生理過程, 包括細胞增殖、凋亡、自噬、內吞、DNA損傷修復以及免疫應答. 另外, 泛素化失調在疾病中也發揮重要作用, 如癌症、神經退行性病變、肌肉營養不良、免疫疾病以及代謝症候群. 而尤其對於腫瘤以及神經退行性病變, 針對泛素化通路的調控已被認為是腫瘤及神經退行性病變的一種有前景的治療策略.
近期來自北京大學醫學部基礎醫學院的研究人員通過介紹泛素化在細胞周期、受體內化、DNA損傷修復及細胞凋亡中所扮演的角色來闡述泛素化作為細胞最複雜且最重要的PTM之一, 如何發揮其多層面的調節功能參與各個生理過程以維持細胞穩態, 以及泛素化異常又如何參與並涉及臨床重大疾病如癌症與神經退行性疾病的病理過程, 從而為細胞生物學基礎研究與臨床重大疾病提供新的見解與思路.
為維持自身穩態(homeostasis), 細胞必須能夠及時回應內部及外部環境的迅速變化, 而針對特定蛋白質的翻譯後修飾(post-translational modification, PTM)正是一種極其敏感、迅速並且可逆的調節方式. 小分子修飾如磷酸化、甲基化及乙醯化修飾的機制與功能在細胞生物學的各個方面都已得到廣泛而深入的研究. 而泛素化(ubiquitination), 作為一類作用方式更加複雜且作用結果更加多樣的蛋白質修飾, 在細胞生命周期各個方面扮演著同樣重要的角色. 通過對蛋白質穩定性、定位、活性以及相互作用的調控,泛素化廣泛參與了諸如轉錄調節、DNA損傷修復、細胞周期、細胞凋亡、囊泡運輸等生理過程.
與磷酸化、甲基化以及乙醯化修飾所添加的單一基團不同, 泛素(ubiquitin, Ub)是一種由76個胺基酸組成的小分子蛋白質, 廣泛存在於所有真核細胞中, 且序列高度保守, 從酵母到人僅相差3 個胺基酸.
泛素化是指泛素在一系列酶的催化作用下共價結合到靶蛋白的過程. 泛素化過程通常需要3種泛素化酶的協同作用: E1 泛素激活酶(ubiquitin-activating enzyme)、E2 泛素偶聯酶(ubiquitin-conjugating enzymes)和E3泛素連接酶(ubiquitin-ligase enzymes). 首先, E1 利用ATP提供的能量在泛素C端賴氨酸(Lys)殘基上的羧基基團與自身的半胱氨酸(Cys)殘基上的巰基基團間形成高能硫酯鍵, 從而活化泛素分子. 然後, 激活的泛素通過硫酯鍵再被接合到E2的Cys殘基上. 最終, 激活的泛素或者通過E2直接連到蛋白底物上, 或是在E3作用下通過泛素的羧基末端與靶蛋白Lys殘基的ε-氨基之間形成氨基異肽鍵而將泛素轉移到靶蛋白上. 如果靶蛋白結合單個泛素分子, 則稱為單泛素化; 如果靶蛋白的多個Lys殘基同時被單個泛素分子標記稱為多泛素化; 而靶蛋白的單個Lys殘基被多個泛素分子標記則稱為多聚泛素化. 在這一系列酶促級聯反應當中, E3在靶蛋白的特異性識別以及泛素化系統活性的調控中起著最重要的作用.
泛素分子全長包含7 個賴氨酸位點(K6, K11, K27, K29, K33, K48和K63)和1個位於C端的甘氨酸(Gly)位點以及位於N端的甲硫氨酸(Met1)位點. 根據現有研究, 無論在細胞內環境還是胞外反應體系, 泛素自身的每個賴氨酸位點以及N端的甲硫氨酸(Met1)位點都可以發生泛素化從而延伸泛素鏈. 其中對K48和K63位多聚泛素化的研究最廣泛, 而其他類型的泛素化鏈研究較少且被認為是非典型泛素化. 但是隨著對泛素化鏈的裝配、識別以及水解的深入研究, 非典型泛素化的功能與意義也逐漸得到了重視.
由於泛素化修飾對底物的巨大影響, 因此與其他PTM如磷酸化、乙醯化相似, 泛素化也是一個被嚴格調控的可逆過程, 尤其是去泛素化酶使泛素化修飾具有良好的平衡性. 研究表明, 細胞內廣泛存在許多去泛素化酶(deubiquitinating enzymes, DUBs), 主要分為以泛素羧基末端水解酶家族和泛素特異性加工酶家族為主的5種類型. 去泛素化酶對泛素化過程不僅起著抑制作用, 而且可以通過分解泛素化抑制因子、再循環泛素分子、校對泛素化進程等方式促進泛素化過程, 從而與泛素化系統共同組成一個覆蓋幾乎所有細胞功能的複雜網絡.
儘管許多泛素化修飾的原則得到了闡明, 但泛素化修飾的生化機制與生理功能遠未得到充分理解, 例如, 泛素化本身如何被調控以及泛素化與其他PTM如磷酸化、乙醯化之間的相互關係.
這篇文章簡要介紹了泛素化的一些細胞生物學功能和泛素化異常參與的兩種重要疾病—癌症與神經退行性疾病, 儘管由於篇幅所限, 許多泛素化參與的生物學過程與疾病未能詳細闡述, 但本文對了解泛素化的功能與意義的基本輪廓有所裨益.
未來的研究會進一步聚焦於泛素化修飾作為一個動態網絡, 如何參與生理學進程又怎樣影響生物學功能. 例如, 不同的E2s與E3s之間的聯繫, 不同的泛素化修飾種類(單泛素化、多泛素化以及多聚泛素化)以及不同的多聚泛素化鏈(連接通過Met1, Lys6, Lys11, Lys27, Lys29, Lys33, Lys48和Lys63)仍需進一步研究.
與此同時, 對於泛素化修飾的進一步理解也必將推動一系列相關疾病的研究與治療, 近期, 線性泛素化通路(linear ubiquitination pathway)與炎症、腫瘤與自身免疫性疾病的相互關係取得了巨大突破, 並有望為上述疾病的治療提供新思路. 因此, 隨著對泛素化修飾的深入研究與治療技術的不斷發展, 對泛素化通路進行操作將成為一種富有前景的高度特異性的治療方法.