由于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(nèi)吞、DNA損傷修復以及免疫應答。 另外, 泛素化失調(diào)在疾病中也發(fā)揮重要作用, 如癌癥、神經(jīng)退行性病變、肌肉營養(yǎng)不良、免疫疾病以及代謝綜合征。 而尤其對于腫瘤以及神經(jīng)退行性病變, 針對泛素化通路的調(diào)控已被認為是腫瘤及神經(jīng)退行性病變的一種有前景的治療策略。
為維持自身穩(wěn)態(tài)(homeostasis), 細胞必須能夠及時回應內(nèi)部及外部環(huán)境的迅速變化, 而針對特定蛋白質(zhì)的翻譯后修飾(post-translational modification, PTM)正是一種極其敏感、迅速并且可逆的調(diào)節(jié)方式。 小分子修飾如磷酸化、甲基化及乙?；揎椀臋C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復雜且作用結(jié)果更加多樣的蛋白質(zhì)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(zhì)穩(wěn)定性、定位、活性以及相互作用的調(diào)控,泛素化廣泛參與了諸如轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)、DNA損傷修復、細胞周期、細胞凋亡、囊泡運輸?shù)壬磉^程。
與磷酸化、甲基化以及乙酰化修飾所添加的單一基團不同, 泛素(ubiquitin, Ub)是一種由76個氨基酸組成的小分子蛋白質(zhì), 廣泛存在于所有真核細胞中, 且序列高度保守, 從酵母到人僅相差3 個氨基酸。
泛素化是指泛素在一系列酶的催化作用下共價結(jié)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(xié)同作用: E1 泛素激活酶(ubiquitin-activating enzyme)、E2 泛素偶聯(lián)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。 然后, 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(zhuǎn)移到靶蛋白上。 如果靶蛋白結(jié)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(lián)反應當中, E3在靶蛋白的特異性識別以及泛素化系統(tǒng)活性的調(diào)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個位于C端的甘氨酸(Gly)位點以及位于N端的甲硫氨酸(Met1)位點。 根據(jù)現(xiàn)有研究, 無論在細胞內(nèi)環(huán)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(fā)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。
由于泛素化修飾對底物的巨大影響, 因此與其他PTM如磷酸化、乙?；嗨? 泛素化也是一個被嚴格調(diào)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(nèi)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(huán)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(tǒng)共同組成一個覆蓋幾乎所有細胞功能的復雜網(wǎng)絡。
盡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(diào)控以及泛素化與其他PTM如磷酸化、乙?；g的相互關系。
與此同時, 對于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)與炎癥、腫瘤與自身免疫性疾病的相互關系取得了巨大突破, 并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(shù)的不斷發(fā)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。
