1、泛素：泛素(Ubiquitin)是一種由 76 個氨基酸構成、在真核生物中廣泛存在并具有高度保守性的多肽。泛素的氨基酸序列極其保守,例如酵母與人的泛素僅有3個殘基的差別。泛素化修飾：一個或多個泛素分子在一系列酶的作用下與底物蛋白質分子共價結合的翻譯后修飾過程稱為泛素化修飾。泛素化修飾主要作用：1.參與蛋白質降解2.直接影響蛋白質的活性和定位蛋白質降解：泛素化修飾最早被發現的功能是標記靶蛋白, 使之被蛋白酶體識別并降解, 整個過程涉及泛素分子、底物蛋白和多種酶系統。1.泛素-蛋白酶體系統（UPS）：泛素激活酶（E1）、泛素結合酶（E2）、泛素連接酶（E3）、去泛素化酶、蛋白酶體，它們共同構成了泛

2、素-蛋白酶體系統（UPS）。 早在 20 世紀 70 年代就證實動物細胞內蛋白質的降解是具有高度選擇性的。有一些模型提出來解釋這種選擇性降解蛋白的現象, 例如, 有人提出所有的蛋白都能迅速地進入溶酶體, 但是只有那些短暫的蛋白被降解, 而長壽命的蛋白質則從溶酶體中逃出重新回到細胞質。后期實驗也證實溶酶體降解蛋白特異性很低, 并且溶酶體降解所有的蛋白速率都一樣。此外, 用特定的抑制劑抑制溶酶體的功能對細胞內蛋白質降解的影響很小。這明顯說明了溶酶體并不是特異性降解細胞內蛋白的細胞器。最終, 發現細胞內特異降解蛋白的系統-泛素蛋白酶體系統。在細胞內, UPS 能夠快速地降解那些不正常的蛋白質和一些短

3、暫的控制一系列基本細胞生命活動的調節蛋白。UPS 降解蛋白質是一個復雜的和受到嚴密調控的, 并且是高度特異性的降解細胞內許多蛋白質的過程。細胞是如何選擇并以高度特異的方式來降解蛋白質的呢？它是通過給需要降解的蛋白質加上許多小的標簽泛素來標記需被降解的蛋白隨后這些蛋白被泛素蛋白酶體降解。 蛋白酶體存在于細胞核和細胞質, 它是由1020 個亞基組成的蛋白復合物。細胞內普遍存在的蛋白酶體是 26S 蛋白酶體, 由一個核心的 20S 蛋白酶體和兩個具調節作用的 19S 蛋白酶體組成。20S蛋白酶體為中空結構, 是一個大的具有催化活性的蛋白酶, 由 2 個外環(7 個 a 亞基)和 2 個內環(7 個

4、亞基)組成。在細胞內, 20S 蛋白酶體具有潛在的催化能力, 需要激活才具有蛋白酶活性, 至少有 2 類蛋白酶體激活劑被發現在能夠結合核心的20S 蛋白酶體并增強它的催化活性。 19S 調節顆粒能夠結合到20S 蛋白酶體的外環上,形成 26S蛋白酶體, 它們主要負責降解泛素化的蛋白質。細胞內大多數的蛋白質是由 26S 蛋白酶體降解的。11S 調節顆粒又被稱為 PA28 或 REG, 它也能夠結合到 26S 蛋白酶體并以一種不需要 ATP 和泛素化的方式起始短肽而不是完整的蛋白質的降解。如圖：靶蛋白的泛素化降解涉及以下 3 個連續的過程：(1)泛素的活化,這個過程需要以 ATP 作為能量, 泛素

5、 C 端的羧基連接到泛素活化酶 E1 的巰基, 最終形成一個泛素和泛素活化酶 E1 之間的硫酯鍵; (2)泛素活化酶 E1 將活化后的泛素通過交酯化過程傳遞給泛素結合酶 E2; (3)泛素連接酶 E3 將結合 E2 的泛素連接到靶蛋白上。 靶蛋白在泛素激活酶 E1、泛素結合酶 E2 和蛋白泛素連接酶 E3 的作用下共價連接上幾個泛素分子, 然后被 26S 蛋白酶體所降解。蛋白質的降解是在 20S 核心顆粒中的 亞基進行的, 一般不生成部分降解的產物, 而是將底物蛋白完全降解為長度一定的肽段。26S 蛋白酶體只識別泛素化的蛋白并將其降解為小肽, 泛素在去泛素連接酶作用下回收再利用。如圖： 這些小

6、肽隨后被細胞質中的蛋白酶降解為氨基酸。在哺乳動物細胞內,UPS系統是一個層次非常鮮明體系：細胞內只表達一種泛素激活酶E1把泛素轉移到大約50種泛素結合酶 E2上, 每種E2都可以與許多E3泛素連接酶相互作用,而E3泛素連接酶在細胞內大約有 1 000個,它們負責特異性地結合底物使其發生泛素化從而能被蛋白酶體降解。 泛素化修飾可分為多聚泛素化修飾和單泛素化修飾。目前報道的多聚泛素化修飾主要有8種不同類型的連接方式,其中7種涉及泛素鏈內部賴氨酸 K 與泛素分子 C末端的甘氨酸G相連接方式，包括K6、K11、K27、K29、K33、K48和K63位的多聚泛素化修飾。研究比較多的是K48位和K63位多

7、聚泛素化修飾，其中K48位的多聚泛素化修飾主要起到降解的作用和調控蛋白的穩定性，K63位的多聚泛素化修飾主要起到信號轉導、DNA修復的功能和調控蛋白的活性。 近幾年發現了第 8 種類型的泛素鏈連接方式即線性泛素化修飾，其泛素鏈的連接方式是由泛素甲硫氨酸Met1的氨基基團與另一泛素甘氨酸的羧基相連形成泛素鏈標記。目前研究表明線性泛素化修飾在先天性免疫和抑制炎癥反應等多種過程中發揮著非常重要的作用，成為現階段的研究熱點。 單泛素修飾影響細胞的膜運輸、內吞和病毒出芽等過程；由48位賴氨酸（K48）形成的泛素鏈發生的修飾，主要介導蛋白質的蛋白酶體降解；由63位賴氨酸（K63）形成的泛素鏈發生的修飾，與

8、內吞作用、炎癥響應、蛋白質翻譯和DNA修復相關。而其他形式的泛素鏈與細胞周期、溶酶體降解、激酶識別等一系列過程相關。 泛素-蛋白酶體系統介導了真核生物體內80%85%的蛋白質降解, 該蛋白質降解途徑具有依賴 ATP、高效、高度選擇性的特點。細胞內蛋白的降解主要具有兩個方面的作用, 一方面是通過降解錯誤折疊、突變或者損傷的蛋白來維持細胞的質量控制, 另一方面是通過降解關鍵的調節蛋白來控制細胞的基本生命活動, 例如生長、代謝、細胞凋亡、細胞周期和轉錄調節等。蛋白質的加工：雖然蛋白酶體降解成非常短的片段, 但是在有些情況下, 降解產物也是具有生物學活性的。一些轉錄因子復合物中的成分, 合成后以無活性

9、的前體分子存在, 在經過泛素化和蛋白酶降解后, 才轉變為活性分子。例如, NF-kappa B、Spt23p 和 Mga2p 等。細胞周期的調控：細胞周期的進程是由一系列細胞周期蛋白依賴性激酶(CDK)來進行調控的, 而 CDK 的激活需要細胞周期蛋白(Cyclin)的結合。在細胞有絲分裂過程中,細胞周期蛋白的壽命很短, 大約只有幾分鐘。在Cyclin-CDK 復合物執行完功能后, 復合物中的Cyclin 則會很快速地被泛素-蛋白酶體系統降解, 從而保證細胞周期的正常運轉。此外, 在細胞退出有絲分裂的過程中, Cyclin B需要從有絲分裂促進因子上解離下來, 而這一過程也依賴于蛋白酶體。例如

10、,Cyclin A 的降解是由一種 E3 泛素連接酶-后期促進因子(APC)來進行的, APC 的各組分在細胞分裂間期中表達, 但是它只有在M期才具有E3連接酶活性, 從而降解 M 期周期蛋白, 細胞則有中期向后期轉化。 細胞周期的進程也受到細胞周期檢驗點的調控。例如, 有絲分裂前期檢查點 Chfr 蛋白在細胞分裂過程中發揮著重要作用。Chfr 是一個 E3 泛素連接酶, 其底物包括 HDAC1、Plk1、Kif22、HLTF 等, 許多研究表明 Chfr 在細胞分裂過程中發揮著重要作用,細胞分裂存在有絲分裂應激時, Chfr 通路激活引起PLK1 的泛素化并降解, 控制 Cdc2 激酶的活性

11、, 延遲染色體凝集和中心體分離, 阻止細胞于有絲分裂前期, 它的表達增強細胞對應激的生存能力 。一旦有絲分裂應激解除并且缺陷修復, Chfr 連接酶即失活, Plk1 再合成驅使細胞進入有絲分裂期。因此, 泛素蛋白酶體系統在細胞周期的調控上具有非常重要的作用。細胞凋亡：細胞凋亡對個體發育的正常進行, 自穩平衡的保持以及抵御外界各種因素的干擾方面起著非常重要的作用.在細胞凋亡發生前, 細胞內泛素化的蛋白質、泛素連接酶的表達明顯上調.此外, 在細胞凋亡過程中, 蛋白酶體的定位出現了明顯的改變, 它由細胞核移位到調亡小泡的外膜.利用藥物抑制蛋白酶體的活性可以影響不同類型細胞凋亡.在大多數被研究的細胞

12、類型中, 抑制蛋白酶體的活性可以促進細胞調亡.但是, 蛋白酶體的活性并不是凋亡所必需的, 在原代培養的靜止和分化的細胞,如神經元細胞, 抑制蛋白酶體的活性阻止了細胞的亡.但是這一機制到目前還不是很清楚.DNA 修復:蛋白質 p53 是一個抑癌基因, 被譽為“基因衛士”。至少有50%的人類癌癥是由于 p53 的突變導致的。在正常細胞中, p53 始終處于合成與降解的動態平衡狀態, 并維持在較低水平上。這種平衡狀態的維持是離不開泛素蛋白酶體系統的。正常情況下,MDM2 這一 E3 泛素連接酶與 p53 相互作用并使 p53不斷地降解。當 DNA 受到損傷時, p53 被磷酸化而不再與 MDM2 相

13、互作用, 從而不再被泛素化降解,細胞內 p53 的蛋白水平迅速增加。p53 是一個重要的轉錄因子, 能夠控制許多基因的表達, 這些基因能夠調控細胞周期、DNA 的修復和細胞的凋亡等。如果 p53 的蛋白水平上升, 細胞周期會被阻斷, 為DNA 修復提供時間. 細胞應激反應:當細胞應激反應發生時, 熱休克蛋白大量表達,其作用是識別錯誤折疊的蛋白質, 并標記他們以供蛋白酶體的降解。目前, 已經證實 Hsp27 和 Hsp90具有提高泛素-蛋白酶體活性的功能。例如, Hsp27能夠直接與多聚泛素鏈和 26S 蛋白酶體相互作用。在應激條件下, Hsp27 促進泛素化蛋白質的降解, 例如, 磷酸化的I-

14、kB蛋白.I-kB是轉錄因子 NF-kB的一個主要的抑制劑。因此, 在應激條件下, 促進泛素-蛋白酶體降解 I-kB, 從而可以激活 NF-kB 的活性.此外, Hsp70 可以結合到錯誤折疊的蛋白質上,并引導 E3 泛素連接酶(如 CHIP)將錯誤折疊的蛋白質標記上泛素, 使得蛋白酶體能夠降解它們.對于氧化損傷的蛋白質, 泛素蛋白酶體系統也以類似的機制把它們降解.例如, 細胞核內的蛋白酶體可以選擇性地降解氧化損傷的組蛋白, 這個過程是由 PARP 蛋白所調控進行的。泛素蛋白酶體系統選擇性地降解一些損傷的蛋白質可以減輕對細胞的損害。調節免疫反應:大多數蛋白由蛋白酶體降解為特定長度的短肽,然而,

15、 也有一些蛋白能夠逃脫這個過程而轉運到內質網, 在內質網內這些多肽結合到主要組織相容性復合物(MHC)類型 I 蛋白上, 隨后傳遞到抗原呈遞細胞表面。如果這些蛋白不是來源于此細胞, 例如,侵入機體的病毒、細菌或腫瘤, 細胞毒性 T 淋巴細胞則會破壞這個細胞.雖然一般的蛋白酶體就可以參與這個過程, 但是在這個過程中起主要作用的是一種特殊的復合物, 其可以生成合適大小和成分的降解片斷以供 MHC 結合.這種復合物是由11S調節顆粒和特殊的亞基(1i、2i、5i,具有不同的底物特異性)組成的, 它們的表達由干擾素所誘導。NF-kB是一種抗凋亡和促炎癥調控因子, 它能夠調控細胞因子的表達。26S 蛋白

16、酶體在 NF-kB的激活中起著非常重要的作用, 在 NF-kB的激活過程中, NF-kB的抑制劑I-kB的快速降解和其前體p105加工成活性的NF-kB即p50。因此, 泛素蛋白酶體系統被認為與炎癥反應和自身免疫性疾病相關.調節生長和發育:在植物的生長和發育過程中, 泛素蛋白酶體系統起著必不可少的作用,它參與了許多發育過程,包括激素反應、光形態、晝夜節律、花發育和衰老等。例如, 茁長素(Auxin)或植物激素(Phytohormone)的作用是調控植物生長的方向和向性, 它們通過細胞信號通路來誘導一系列轉錄因子的抑制蛋白(Aux/IAA蛋白)進入蛋白酶體降解途徑。這些抑制蛋白被 SCFTIR1

17、 蛋白或者 SCF 蛋白進行泛素化降解。Aux/IAA 蛋白降解后, 對 Auxin 反應因子(ARF)家族的轉錄因子的抑制就被解除, 從而誘導 ARF 基因的表達。ARF 的激活參與了對根和葉脈生長的指導。ARF 蛋白和 Aux/IAA 蛋白之間配對的特異性被認為是 ARF 的去抑制作用具有反應特異性的原因. 在個體的正常發育過程中, 通過有絲分裂來增加細胞數目、通過有序的細胞分化來增加細胞類型,進而由不同類型的細胞組成組織和器官。顯然, 這個生長和發育的過程是受到高度調控的, 其中, 蛋白質降解起著非常重要的作用, 特別是泛素蛋白酶體對特異蛋白的降解.例如, NEDD4 通過調節 IGF-

18、1信號通路來調節動物的生長。在哺乳動物中, 胰島素樣生長因子(IGF)信號軸是胎兒和出生后生長的主要調節者。這個信號軸主要包括 3 個配體(IGF-1、IGF-2 和胰島素)和兩個跨膜的酪氨酸激酶受體(IGF-1R 和 IR)。IGF -1 和 IGF- 2 都可以促進胎兒生長。在出生后, 生長激素可以促進自主增長和誘導全身和局部生產 IGF-1, 通過 IGF-1R 信號通路來促進增殖。因此,IGF-1在動物的生長過程中起著至關重要的作用.NEDD4是一個E3泛素連接酶, 它可以調節PTEN蛋白的穩定性.雖然NEDD4 與 IGF1R不是直接相互作用的, 但是NEDD4能夠通過與Grb10相

19、互作用, 調節其穩定性, 進一步調控IGF1R的定位.Grb10抑制了IGF-1R和IR正確的細胞膜定位.因此, NEDD4可以促進IGF-1R的激活.NEDD4基因敲除小鼠其表型是生長遲緩和圍產期死亡.泛素蛋白酶體系統與遺傳疾病:正常細胞的生長和發育離不開蛋白的合成與降解之間的平衡。毫無疑問, 如果這個平衡被打破, 包括蛋白的降解受到抑制和過度降解, 都有可能參與許多人類疾病的發病過程。與 UPS 相關的許多疾病的病理因素根據其機制主要分為2類：第一類是UPS系統的酶或者某些底物突變(功能喪失)導致這些底物不能正常降解; 第二類是加速降解(功能獲得)某些蛋白.泛素-蛋白酶體系統相關蛋白質數據的收錄: 隨著世界范圍內泛素化修飾相關的研究報道越來越多, 泛素-蛋白酶體系統相關蛋白質數據不斷產出, 合理地組織、儲存、呈現以及更