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【Proteintech】熱度不減的泛素化到底有什麼「魔力」？

【Proteintech】

『 熱度不減的泛素化 』 到底有什麼「魔力」？

          蛋白質翻譯後修飾（Post-translational modification, PTM）是具有多種生物學功能的細胞蛋白質的重要調節機制之一。不同類型的修飾會對蛋白質的電荷狀態、疏水性、構象和穩定性產生不同改變，最終影響其功能。目前，最常見的修飾包括磷酸化、乙醯化、泛素化、糖基化、甲基化等。泛素化因參與了細胞週期、增殖、凋亡、分化、信號傳遞、損傷修復、發炎免疫等幾乎一切生命活動的調控而備受關注，近年來，有關於泛素化的研究也在不斷增多！

本期，小編帶大家一起了解下泛素化的相關知識。

圖1 泛素化相關文章發表趨勢[源自於PubMed]

泛素化的基本概念

1. 泛素

泛素（Ubiquitin，Ub）於1975年首次被發現，是一種高度保守的具有76個氨基酸殘基（分子量約8.5kDa）的小蛋白，幾乎存在於真核生物的所有組織中。泛素的關鍵特徵在於它的7個離胺酸殘基（K6, K11, K27, K29, K33, K48和K63）都可以被泛素化，進而形成異胜肽連結的泛素鏈。當泛素附著在第二個泛素的N端時，就會產生第8種鏈類型，即Met1(M1)鏈。

圖2 泛素的八個泛素化位點[1]

2. 泛素化

泛素化（ubiquitination）是真核細胞中十分重要的蛋白質轉譯後修飾過程，其最重要的功能為靶向底物蛋白被26S蛋白酶體降解，此外也可以透過改變蛋白質結構、功能、定位、組裝等參與細胞訊號傳導、細胞週期調控、DNA修復等多種功能。

泛素化過程由三種不同類型的酵素催化：泛素活化酶E1（ubiquitin-activating enzyme）、泛素綴合成酶E2（ubiquitin-conjugating enzyme）和泛素連接酶E3（ubiquitin ligase enzyme）。泛素化是可逆的，其相反的過程稱為去泛素化（Deubiquitination），由一類蛋白水解酶--去泛素化酶(Deubiquitination enzymes，DUBs)介導。

據報導，人類基因組編碼2種E1s，分別是UBA1（UBE1）和UBA6（UBE1L2），約40種E2s，約600-1000種E3s，以及100多種DUBs。

透過上述介紹，想必大家對泛素化有了初步的認知。下面，小編將透過其分子機制帶大家進一步去了解泛素化。

泛素化的分子機制

1. 泛素化修飾途徑

泛素化是一個動態的、高度調控的過程。首先，遊離泛素（Ub）分子被E1以ATP依賴的方式激活，透過硫酯鍵連接形成E1-Ub複合物；隨後，活化的Ub被轉移到E2的活性位點半胱氨酸（Cys）殘基上；最後，E2-Ub複合物與E3相互作用，促進活化的Ub轉移到底物蛋白的離胺酸（Lys）殘基上（見圖3）。

圖3 泛素化路徑[2]

值得一提的是，根據所涉及的E3類型，泛素可以直接從E2轉移到其底物（RING、U-box和Cullin-RING E3連接酶），也可以在轉移前與E3形成硫酯中間體（HECT和RBR E3連接酶）。在第一個泛素附著在底物上形成泛素鏈後，可以重複酵素級聯反應。泛素修飾的類型決定了底物蛋白的命運，被26S蛋白酶體降解或作為非蛋白被水解。 DUBs可催化Ub從結合底物中移除，並在泛素化底物降解後生成循環的泛素分子。

2. 泛素化的複雜性

大多數關於泛素化的研究都集中在與氨基的連接上，最初是在賴氨酸殘基上。如圖4所示，單泛素化（Monoubiquitination ）是最簡單的泛素化形式，一個Ub分子可以附著在一個蛋白質上。或多個Ub單體可以同時附著在一個蛋白質中的幾個不同的離胺酸上--多單泛素化（Multimono-ubiquitination ）。當然，Ub單體可以形成更複雜的結構，即與Ub的離胺酸殘基相連的泛素鏈，當這種情況發生時，它被稱為多泛素化（Polyubiquitination ）。當一個特定的殘基將所有的Ub單體連接在一起時，該鏈就以此殘基命名，如K48鏈或K63鏈，這類為同型多泛素化（Homotypic polyubiquitylation ）。多泛素化的Ub殘基決定了Ub鏈的結構，例如M1鏈和K63鏈採用類似於線性鏈的「開放」構象，而K48鏈具有緊湊的「之字形」球狀構象。同樣，也存在著混合鏈、分支鏈、類泛素修飾以及化學修飾等異型多泛素化（Heterotypic polyubiquitylation）。

除此之外，隨著研究不斷深入，內質網相關的降解、過氧化物酶體蛋白易位等其他過程涉及底物蛋白上半胱氨酸（Cys）、絲氨酸（Ser）或蘇氨酸（Thr）側鏈的非典型泛素修飾被報告。這說明，很有可能很大一部分泛素編碼仍然是未知的，未來還需要新的工具來識別其他類型的修飾，量化和表徵它們的功能。

圖4 泛素編碼及其修飾[3]

在所有類型的多泛素鏈中，K48、K63是研究最廣泛的。經典的K48連接的泛素化靶向底物蛋白被蛋白酶體降解，而K63連接的泛素化廣泛參與訊號傳導和DNA損傷反應。其他六種類型的泛素化連結被稱為「非典型」泛素化。其中，M1鏈已被報告為訊號傳導的正調控因子，特別是在腫瘤、發炎和免疫等方面發揮重要作用；K6鏈與DNA修復有關，也可能調節粒線體穩態；K11鏈對細胞週期的調控至關重要；K29和K33鏈都已被證明可以調節先天免疫信號通路並誘導選擇性自噬；K27鏈因其對多種生理過程的不同作用而受到越來越多的關注，如線粒體自噬作用、蛋白酶體降解及訊號傳導等（圖5）。

圖5泛素不同連接類型及其功能[4]

類泛素化修飾

除了泛素化修飾，細胞內還有一些與泛素化修飾相類似的反應，如SUMOylation（小泛素化修飾，SUMO化修飾）和NEDDylation等。

小泛素相關修飾物（small ubiquitin-related modifier，SUMO）是泛素類蛋白家族的重要成員之一，由98個胺基酸組成，在進化上高度保守，是類泛素蛋白（ubiquitin-like protein, UBL）中研究最多的一種。 SUMO1/2/3是主要的SUMO蛋白。在哺乳動物中，SUMO2是最豐富的家族成員，它對胚胎發育至關重要，可以彌補SUMO1和SUMO3的缺失。成熟的SUMO2和SUMO3的胺基酸序列幾乎相同，因此它們通常被稱為SUMO2/3。

SUMO化修飾類似但又不同於泛素化修飾（見圖6）。動態SUMO訊號在細胞週期進程、核體組裝、蛋白毒性壓力和免疫過程中非常重要，並進一步調節幾乎所有的核過程，包括基因表現、DNA損傷反應、RNA加工等。因此，SUMO酶可能成為治療人類疾病的藥物開發的標靶。

圖6 SUMOylation途徑[5]

NEDD8含有81個胺基酸，也是一種類泛素蛋白修飾分子，與泛素分子的一致性為59%，相似性高達80%，其相似程度是眾多類泛素分子中最高的。 NEDDylation的發生機轉也同泛素化相似（見圖7）。 NEDDylation可能參與細胞增殖分化、細胞發育、細胞週期、訊號傳導等重要生命過程的調控，NEDDylation異常會導致人類的神經退化性疾病和癌症。

圖7 NEDDylation 途徑[6]

小結

泛素化最初被認為是一種降解蛋白質的方法。而隨著研究的不斷深入，泛素化現在被認為是用途最廣泛的蛋白質修飾系統，參與發炎動態調節和細胞程序性死亡等關鍵過程，幾乎影響生命科學的所有領域。泛素化受到許多酵素的嚴格調控，包括E1s, E2s, E3s和DUBs等。在許多疾病中，泛素調控異常已被廣泛報導，包括癌症和自體發炎性疾病等。相信隨著科學技術的不斷進步，研究人員可以更加深入地理解複雜的泛素系統，包括它在疾病過程中的作用，這對於泛素系統所涉及的各種疾病的治療具有重要意義。

泛素廣泛參與細胞各種生命活動，但由於泛素化的複雜性，目前人們對它的了解仍為冰山一角。以泛素化相關抗體為工具，透過表徵蛋白質水平、性質和變化規律，可幫助研究人員準確定位泛素化標靶和標靶相關疾病治療/藥物開發。

這裡，小編也整理泛素化相關的一些重要抗體、奈米抗體和試劑盒，希望對相關領域的研究帶來幫助！

【參考文獻】

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資料來源：Proteintech

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