蛋白作為生命功能主要的執(zhí)行物質，蛋白質穩(wěn)態(tài)對細胞功能的正常發(fā)揮是至關重要的。在蛋白行使功能或者在合成、折疊、轉運等過程中，如果蛋白質穩(wěn)態(tài)失衡則會引發(fā)各種病變。人類細胞中存在兩類主要的蛋白質降解途徑，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%蛋白質的降解是由泛素-蛋白酶體系統(tǒng)介導完成的。
當前“泛素化”的研究熱度依舊是一路攀升，2022-2023年該領域的資助經費均破億元。2024中標項目數量超過240個，可以說這個領域依舊是當前研究的熱點，也是國自然的“常駐嘉賓”。針對這項經久不衰的研究方向，我們來看看泛素化到底是什么，以及如何應用于臨床。
圖1：泛素化國自然經費和項目數量統(tǒng)計
自從1975年泛素被發(fā)現(xiàn)以來，各類相關研究層出不窮。2000年，拉斯克基礎醫(yī)學研究獎授予Aaron Ciechanover，Avram Hershko和Alexander Varshavsky，因發(fā)現(xiàn)和認識調節(jié)蛋白質降解的泛素系統(tǒng)。2004年，Aaron Ciechanover，Avram Hershko和Irwin Allan Rose因發(fā)現(xiàn)泛素介導的蛋白質降解共同獲得諾貝爾化學獎，掀起了泛素化研究的狂潮。至今“Ubiquitination”相關文章超過100,000篇，其中泛素化蛋白質組學文章僅占6%。因此，在蛋白質組學蓬勃發(fā)展的今天，泛素化修飾組學還有非常廣闊的研究空間和前景。
圖2：2000年拉斯克基礎醫(yī)學獎（左），2004年諾貝爾化學獎（右）
泛素（Ubiquitin，Ub）是一種由76個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胞而得名[1]。分子量約8.5kDa，在進化過程中高度保守，全長包含7個賴氨酸（Lys）位點（K6，K11，K27，K33，K48和K63）、一個位于N端的甲硫氨酸（Met）位點（M1）以及一個位于C端的甘氨酸（Gly）位點（G76）。
圖3：泛素結構[2]
泛素共價地結合于底物蛋白質的賴氨酸殘基,被泛素標記的蛋白質將被特異性地識別并迅速降解。泛素化涉及三個主要步驟：活化，結合和連接，分別由泛素激活酶（E1），泛素結合酶（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)到胞質池中。
圖4：泛素化和去泛素修飾形成過程[3]
Ub結合域(UBD)可嵌入具有各種細胞功能的多種蛋白質內。目前已鑒別出20多種UBD。因此可形成多種Ub修飾類型，最簡單的形式是靶蛋白結合單個Ub分子，稱為單泛素化。靶蛋白的多個Lys(賴氨酸)殘基同時被單個Ub分子標記稱為多泛素化。靶蛋白的單個Lys殘基被多個Ub分子標記稱為多聚泛素化。
多聚泛素化需要E1、E2和E3三種酶級聯(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Lys殘基(K6、K11、K27、K29、K33、K48和K63)，這些Lys都能與另一個Ub進一步偶聯(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轉導和DNA損傷反應。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]
泛素化通過對蛋白質穩(wěn)定性、活性、亞細胞定位以及與其它蛋白質相互作用等方面進行調控，廣泛參與了諸如免疫反應調控、DNA損傷修復、細胞周期調控、細胞增殖、凋亡和蛋白質降解等幾乎一切生命活動的調控。進而參與神經退行性疾病、免疫疾病、代謝性疾病等多種疾病的發(fā)生發(fā)展過程。
蛋白質水解靶向嵌合體（PROTAC）是一種近些年新興的精準醫(yī)學策略，通過泛素-蛋白酶體系統(tǒng) （UPS）使靶蛋白泛素化，從而實現(xiàn)對腫瘤生長的控制。PROTAC 能夠靶向幾乎所有細胞內的蛋白以及跨膜蛋白進行降解，包括以前被認為“不可成藥”的蛋白。
圖6：PROTAC介導的目標蛋白泛素化和蛋白酶體降解的過程[6]
目前，國內外眾多科研機構和企業(yè)紛紛投入巨資進行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等待發(fā)掘，我們共同期待泛素化和PROTAC技術在未來實現(xiàn)更多轉化！
圖7：PROTAC靶向蛋白降解劑在臨床開發(fā)中的應用[7]
參考文獻
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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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