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泛素含有76个残基，通过羧基端的甘氨酸与靶蛋白赖氨酸的侧链氨基共价结合。泛素之间也可以通过这种方式连接成泛素链。泛素分子中有七个赖氨酸残基，即K6，K11，K27，K29，K33，K48和K63，另外N端的甲硫氨酸也可用于泛素之间的连接，这样就有8种连接方式，各有不同功能。  K48连接最为常见，约占所有连接的50%。K48链主要用于蛋白酶体降解，K11参与内质网介导的降解途径和细胞周期进程的控制，而K29则调控蛋白质的溶酶体降解。K6泛素链在抑制蛋白酶体后未发生富集，表明其可能具有非降解作用。一些研究表明，K6泛素链可能与DNA损伤、线粒体稳态等相关。而K27和K33多泛素化可能与先天免疫和免疫反应有关。  M1连接构成所谓“线性”泛素链，是NF-κB信号传导的关键正调节剂，在炎症和肿瘤等方面起着重要作用。E3连接酶HOIP可以通过构成线性泛素链装配复合物（LUBAC）催化形成线性泛素链。对LUBAC的研究正是这个领域的开端。  一些蛋白具有UBAN（ubiquitin-binding domain present in ABINs and NEMO）结构，能够识别线性泛素链。UBAN也可以识别K63泛素链，但亲和力只有线性泛素链的百分之一。 泛素链的结构还可以更加复杂。前面说的K48、M1泛素链都是同型的，即所有泛素都以同一种方式连接。其实，泛素链也可以是异型的，即包含多种连接方式。泛素链可以是直链，也可以形成分支结构。另外，泛素本身也可以发生多种修饰，如磷酸化、乙酰化等。链中还可以掺入苏木或NEDD8，形成混合链。这种复杂的结构可以包含复杂的信息，被称为泛素密码（ubiquitin code）。  泛素密码的研究成果之一是蛋白酶体降解的“泛素化阈值”（ubiquitination threshold）模型。该模型认为，与K48连接的四泛素单链修饰相比，多个短链（例如，双泛素）或分支的泛素是更好的降解信号。此模型还表明，对于非降解作用的泛素链修饰，可以通过添加支链的方式很容易地转化为降解信号。  总之，泛素修饰与很多细胞过程相关，所以泛素系统的失调与癌症等多种疾病相关。泛素-蛋白酶体系统（UPS）的成分在各种癌症中经常发生突变或异常表达。自从FDA批准Bortezomib用于治疗多发性骨髓瘤和套细胞淋巴瘤以来，越来越多的抗肿瘤药物将UPS作为靶点。  近年来在泛素化的研究方面也出现了很多新的工具和方法，比如针对M1、K11、K48、K63连接的特异性抗体，Ser65-phosphoUb抗体，以及多种质谱标记、定量技术（如SILAC、TMT、AQUA）等。这些技术会让我们对泛素化有更加深刻的认识。 苏木（SUMO）和NEDD8都是与泛素类似的小肽，同样通过修饰某些蛋白来调控相应细胞过程，也都需要相应的E1、E2和E3，所以称为泛素样蛋白（ubiquitin like，Ubl）。 人体中的Ubl家族至少有8个成员，还包括ubiquitin-fold modifier 1 (UFM1)、ubiquitin-related modifier 1 (URM1)、autophagy-related proteins 8 and 12 (ATG8 and ATG12)、interferon-stimulated gene 15 (ISG15)和human leukocyte antigen-F adjacent transcript 10 (FAT10)等。  苏木是小泛素相关修饰物（small ubiquitin-related modifier）的缩写，是Ubl中研究最多的一种。它含有100个氨基酸残基，与泛素的序列相似性仅18%，但二者在高级结构上高度相似，核心都是保守的Ub折叠（Ub-fold）结构域。一个比较明显的区别是苏木蛋白有一个长而灵活的N端延伸结构。 人类有5种苏木蛋白，称为SUMO1~5。其中SUMO2和SUMO3高度相似，常一起研究，称为SUMO2/3。这三种都是广泛表达的，研究较多；SUMO4仅在脾和肾等少数组织表达，SUMO5发现较晚，相关研究很少。所以多数情况下SUMO指的是SUMO1~3。 苏木蛋白主要在细胞核中发挥作用，参与DNA复制和修复、染色质结构、转录调控、细胞周期、有丝分裂、信号转导等事件。目前已发现6千多个蛋白质的4万多个SUMO化位点。  NEDD8（neural precursor cell expressed, developmentally downregulated 8）最初在脑中发现，但后来证明它也是广泛表达的。它由81个残基构成，与泛素相似性高达80%。 NEDD8前体需要由成熟酶切断C端，暴露出Gly76才有功能。其E1称为NEDD8激活酶（NAE），催化其与结合酶E2相连。然后由NEDD8连接酶E3催化其与目标蛋白的赖氨酸相连。NEDD8修饰也是可逆的，其脱除反应称为deneddylation。  NEDD化的主要作用是改变蛋白质功能，而不是降解。目前了解最多的底物是cullin家族，它是CRL（cullin-RING连接酶）复合物的支架蛋白。我们前面说过，泛素连接酶E3有3种类型，其中之一是RING类型。CRL是RING类型中最大的一个家族，需要由多种蛋白构成一个复合物。Cullin负责将其中一些组分连接起来。 人体的cullin蛋白有9种，多数都需要NEDD化后才有活性。所以说NEDD8通过激活cullin促进泛素化。CRL控制着许多重要的生物学过程，包括细胞周期进程、DNA修复、信号转导、基因转录、胚胎发育、基因组完整性和肿瘤发生等。所以NEDD化抑制剂也可以作为抗肿瘤药物。有一种小分子化合物MLN4924是NEDD8激活酶NAE的抑制剂，目前已进入抗肿瘤的临床试验。 除cullin家族外，NEDD8还有多种底物，控制多种生物过程。NEDD化可以抑制抗癌蛋白p53，激活癌蛋白MDM2，调控EGFR、Parkin/PINK1、HIF1α/HIF2α、Caspases/IAPs/RIP1、Histone H4等重要分子。 总之，蛋白质的肽修饰具有多种多样的生物功能。随着技术的进步，相关的研究还会逐步深入，揭示更多的奥秘。蛋白质修饰如此，生物学也是如此。希望真正的“生物学的世纪”早日到来。 参考文献： 1. Kirby N Swatek, et al. Ubiquitin modifications. Cell Res. 2016 Apr; 26(4): 399–422. 2. Henning Walczak, et al. Generation and physiological roles of linear ubiquitin chains. BMC Biol. 2012; 10: 23. 3. Roya Rasaei, et al. Importance of Deubiquitination in Macrophage-Mediated Viral Response and Inflammation. Int J Mol Sci. 2020 Nov; 21(21): 8090. 4. Jinyoung Park, et al. Ubiquitin–proteasome system (UPS) as a target for anticancer treatment. Arch Pharm Res. 2020 Nov 9 : 1–18. 5. Yu Cao, et al. Proteasome, a Promising Therapeutic Target for Multiple Diseases Beyond Cancer. Drug Des Devel Ther. 2020; 14: 4327–4342. 6. Maryia Karpiyevich, et al. Ubiquitin-Like Modifiers: Emerging Regulators of Protozoan Parasites. Biomolecules. 2020 Oct; 10(10): 1403. 7. Hee Jin Park, et al. Chapter Five - New Insights into the Role of the Small Ubiquitin-like Modifier (SUMO) in Plants. International Review of Cell and Molecular Biology, 2013, 300: 161-209. 8. Mathias Boulanger, et al. SUMO and Transcriptional Regulation: The Lessons of Large-Scale Proteomic, Modifomic and Genomic Studies. Molecules. 2021 Feb 5;26(4):828. 9. Yongchao Zhao, et al. Targeting Neddylation Pathways to Inactivate Cullin-RING Ligases for Anticancer Therapy. Antioxid Redox Signal. 2014 Dec 10; 21(17): 2383–2400. |
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来自： lcy1971 > 《蛋白质的生物合成》
