蛋白作為生命功能主要的執(zhí)行物質(zhì)，蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)對(duì)細(xì)胞功能的正常發(fā)揮是至關(guān)重要的。在蛋白行使功能或者在合成、折疊、轉(zhuǎn)運(yùn)等過(guò)程中，如果蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)失衡則會(huì)引發(fā)各種病變。人類細(xì)胞中存在兩類主要的蛋白質(zhì)降解途徑，即泛素-蛋白酶體系統(tǒng)（ubiquitin-proteasome system，UPS）和溶酶體-自噬通路。其中，80%-90%蛋白質(zhì)的降解是由泛素-蛋白酶體系統(tǒng)介導(dǎo)完成的。
當(dāng)前“泛素化”的研究熱度依舊是一路攀升，2022-2023年該領(lǐng)域的資助經(jīng)費(fèi)均破億元。2024中標(biāo)項(xiàng)目數(shù)量超過(guò)240個(gè)，可以說(shuō)這個(gè)領(lǐng)域依舊是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，也是國(guó)自然的“常駐嘉賓”。針對(duì)這項(xiàng)經(jīng)久不衰的研究方向，我們來(lái)看看泛素化到底是什么，以及如何應(yīng)用于臨床。
圖1：泛素化國(guó)自然經(jīng)費(fèi)和項(xiàng)目數(shù)量統(tǒng)計(jì)
自從1975年泛素被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，各類相關(guān)研究層出不窮。2000年，拉斯克基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究獎(jiǎng)授予Aaron Ciechanover，Avram Hershko和Alexander Varshavsky，因發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)降解的泛素系統(tǒng)。2004年，Aaron Ciechanover，Avram Hershko和Irwin Allan Rose因發(fā)現(xiàn)泛素介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解共同獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，掀起了泛素化研究的狂潮。至今“Ubiquitination”相關(guān)文章超過(guò)100,000篇，其中泛素化蛋白質(zhì)組學(xué)文章僅占6%。因此，在蛋白質(zhì)組學(xué)蓬勃發(fā)展的今天，泛素化修飾組學(xué)還有非常廣闊的研究空間和前景。
圖2：2000年拉斯克基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)（左），2004年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)（右）
泛素（Ubiquitin，Ub）是一種由76個(gè)氨基酸組成的高度保守的多肽，幾乎存在于真核生物的所有組織中，因其廣泛分布于從酵母到人類各類細(xì)胞而得名[1]。分子量約8.5kDa，在進(jìn)化過(guò)程中高度保守，全長(zhǎng)包含7個(gè)賴氨酸（Lys）位點(diǎn)（K6，K11，K27，K33，K48和K63）、一個(gè)位于N端的甲硫氨酸（Met）位點(diǎn)（M1）以及一個(gè)位于C端的甘氨酸（Gly）位點(diǎn)（G76）。
圖3：泛素結(jié)構(gòu)[2]
泛素共價(jià)地結(jié)合于底物蛋白質(zhì)的賴氨酸殘基,被泛素標(biāo)記的蛋白質(zhì)將被特異性地識(shí)別并迅速降解。泛素化涉及三個(gè)主要步驟：活化，結(jié)合和連接，分別由泛素激活酶（E1），泛素結(jié)合酶（E2s）和泛素連接酶（E3s）執(zhí)行。去泛素化由去泛素化酶（DUB）執(zhí)行，將泛素從底物中去除并將泛素再循環(huán)到胞質(zhì)池中。
圖4：泛素化和去泛素修飾形成過(guò)程[3]
Ub結(jié)合域(UBD)可嵌入具有各種細(xì)胞功能的多種蛋白質(zhì)內(nèi)。目前已鑒別出20多種UBD。因此可形成多種Ub修飾類型，最簡(jiǎn)單的形式是靶蛋白結(jié)合單個(gè)Ub分子，稱為單泛素化。靶蛋白的多個(gè)Lys(賴氨酸)殘基同時(shí)被單個(gè)Ub分子標(biāo)記稱為多泛素化。靶蛋白的單個(gè)Lys殘基被多個(gè)Ub分子標(biāo)記稱為多聚泛素化。
多聚泛素化需要E1、E2和E3三種酶級(jí)聯(lián)催化,而單泛素化一般僅需E1和E2催化。Ub本身也含有7個(gè)Lys殘基(K6、K11、K27、K29、K33、K48和K63)，這些Lys都能與另一個(gè)Ub進(jìn)一步偶聯(lián)形成特異的多聚泛素鏈。
在所有類型的多泛素鏈中，K48、K63是研究最廣泛的。經(jīng)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信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和DNA損傷反應(yīng)。其他六種類型的泛素化連接被稱為“非典型”泛素化。不同的泛素鏈介導(dǎo)不同的功能（圖5）。
圖5：泛素不同連接類型及其功能[5]
泛素化通過(guò)對(duì)蛋白質(zhì)穩(wěn)定性、活性、亞細(xì)胞定位以及與其它蛋白質(zhì)相互作用等方面進(jìn)行調(diào)控，廣泛參與了諸如免疫反應(yīng)調(diào)控、DNA損傷修復(fù)、細(xì)胞周期調(diào)控、細(xì)胞增殖、凋亡和蛋白質(zhì)降解等幾乎一切生命活動(dòng)的調(diào)控。進(jìn)而參與神經(jīng)退行性疾病、免疫疾病、代謝性疾病等多種疾病的發(fā)生發(fā)展過(guò)程。
蛋白質(zhì)水解靶向嵌合體（PROTAC）是一種近些年新興的精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)策略，通過(guò)泛素-蛋白酶體系統(tǒng) （UPS）使靶蛋白泛素化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤生長(zhǎng)的控制。PROTAC 能夠靶向幾乎所有細(xì)胞內(nèi)的蛋白以及跨膜蛋白進(jìn)行降解，包括以前被認(rèn)為“不可成藥”的蛋白。
圖6：PROTAC介導(dǎo)的目標(biāo)蛋白泛素化和蛋白酶體降解的過(guò)程[6]
目前，國(guó)內(nèi)外眾多科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)紛紛投入巨資進(jìn)行PROTAC藥物的研發(fā)，并取得了一系列令人矚目的成果（圖7）。目前還有很多未知靶點(diǎn)等待發(fā)掘，我們共同期待泛素化和PROTAC技術(shù)在未來(lái)實(shí)現(xiàn)更多轉(zhuǎn)化！
圖7：PROTAC靶向蛋白降解劑在臨床開發(fā)中的應(yīng)用[7]
參考文獻(xiàn)
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[6] Qi, Si-Min et al. “PROTAC: An Effective Targeted Protein Degradation Strategy for Cancer Therapy.” Frontiers in pharmacology vol. 12 692574. 7 May. 2021, doi:10.3389/fphar.2021.692574
[7] Békés, Miklós et al. “PROTAC targeted protein degraders: the past is prologue.” Nature reviews. Drug discovery vol. 21,3 (2022): 181-200. doi:10.1038/s41573-021-00371-6
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