泛素世界的信号、疾病与药物

泛素分子（Ub）由76个氨基酸组成，它存在于所有真核组织中。泛素化由泛素激活酶（E1）、泛素偶联酶（E2）和泛素连接酶（E3）三种酶在ATP的帮助下级联催化，将泛素（Ub）C端羧酸残基通过异肽键与受体蛋白中赖氨酸残基的ε-氨基偶联，实现Ub对底物蛋白的标记。具体过程可分为：

泛素的C末端 Gly76 与 E1（泛素激活酶）形成高能的硫酯键（thioester bond）。这个过程需要 ATP，泛素先和ATP形成泛素-AMP中间体，再转移到E1的半胱氨酸残基上。  

图1：重组E1蛋白UBA1（Cat # 82619）纯度（左图）和活性检测（右图）

被E1携带的泛素转移到 E2（泛素偶联酶）的半胱氨酸残基，形成 E2~Ub 硫酯键复合物。  

图2：重组E2蛋白UBE2C（Cat # 82610）纯度（左图）和活性检测（右图）

E3（泛素连接酶）识别特定底物蛋白，并把E2携带的泛素转移到底物蛋白的赖氨酸残基（ε-NH₂ 基团）上。形成异肽键（isopeptide bond）：泛素C端Gly76 与底物蛋白赖氨酸侧链的氨基相连。  

图3：重组E3蛋白PELI1（Cat # 81613）和底物Ubiquitin（Cat # 81482）纯度检测

进一步泛素化可以发生在已连接泛素的赖氨酸残基（如K48等）上，形成多聚泛素链。

人类基因组编码两种E1酶、至少40种E2酶和超过600种E3酶。E3泛素连接酶具有选择性识别底物的能力，决定泛素化的特异性。E3酶的多样性决定了泛素化的底物多样性以及连接方式的多样性。另外，泛素化修饰是一种可逆的翻译后修饰，去泛素化由去泛素酶（DUB）来执行，目前已鉴定出约100个DUB。DUBs的生理功能是多种多样的：获取游离Ub；稳定蛋白质以防止降解；并修剪Ub链以编辑Ub修饰的形式。另外要注意的是，底物蛋白，E3连接酶以及DUB酶并不是一一对应的关系，单个E3泛素连接酶或DUB可以靶向多个底物，而单个底物蛋白可以由多个E3连接酶或DUB调节，这进一步提示我们泛素化修饰的复杂性。

泛素化可作用于多种真核蛋白质，也包括泛素（Ub）自身。Ub 分子上有七个赖氨酸残基（Lys6、Lys11、Lys27、Lys29、Lys33、Lys48、Lys63）以及一个 N 端甲硫氨酸（M1），因此可形成八种不同类型的泛素链，其中 M1 连接又称为线性泛素化。

根据泛素分子在底物蛋白上的连接方式，泛素化主要分为两类：

多泛素化指在底物蛋白某一赖氨酸位点上连接由多个 Ub 组成的链，可分为同型链（单一连接方式）与异型链（混合连接方式）。

最典型的K48 连接多泛素化主要引导底物蛋白经蛋白酶体降解，并参与复杂的信号传导过程。

不同连接类型的泛素链功能各异

K48 链：介导错误折叠或衰老蛋白的蛋白酶体降解，调控信号蛋白周转，限制免疫信号过度激活。

K63 链：主要参与信号转导与DNA损伤应答。

K33 链：调控T细胞受体（TCR）信号传导。

K11 链：常与K48或K63形成混合链，促进蛋白酶体降解。

K29 链：在非应激细胞中常见，目前研究多集中于酵母。

K27 链：调控IKγ（NF-κB通路），参与多种疾病进程。

M1 线性链：由LUBAC组装，通过N端延伸形成，参与NF-κB信号激活。

多种泛素链类型及其组合方式，体现了泛素化在细胞调控中的多层次、精细化作用机制。

泛素化在人体多种生物过程中至关重要。一旦泛素化异常激活或失调，会引发通路激活异常、蛋白质复合物组装不当、错误折叠蛋白质积累，进而破坏正常生理功能，诱发疾病；由泛素化异常调节导致的疾病，主要包括但不限于：各类癌症、神经退行性疾病以及代谢紊乱。

UPS负责降解体内大部分蛋白质，是细胞命运、分化、迁移的关键调控者，尤其对神经系统稳态维持至关重要。若UPS功能受损，错误折叠或聚集的蛋白质无法及时清除，会损害神经元功能、触发细胞应激反应，最终导致细胞死亡。

典型疾病案例：

①亨廷顿舞蹈症：患者体内亨廷顿蛋白异常聚集是核心病理特征，这些本应通过泛素化标记降解的蛋白聚集体，因无法被蛋白酶体有效消化而堆积。

②肌萎缩侧索硬化症（ALS）：部分早发性家族性病例与超氧化物歧化酶（SOD1）基因突变相关，但病理改变并非源于 SOD1 活性异常，而是泛素化蛋白聚集体的积累。

因此，靶向 UPS 调控，可能为神经退行性疾病治疗提供新方向。

泛素化通过调控关键酶或蛋白质的稳定性与活性，参与葡萄糖、脂质代谢调节，且与代谢综合征密切相关。

①脂肪生成调控（USP7与ATF4）：激活转录因子 4（ATF4）是脂肪生成的关键。去泛素化酶 USP7过表达时，可恢复ATF4缺失导致的脂肪生成障碍，并参与 ATF4介导的脂肪细胞分化。

②代谢性疾病核心因子（C/EBPβ与PPARγ）：在肥胖、糖尿病等代谢性疾病中，C/EBPβ和PPARγ是脂质代谢的核心调控因子，其泛素化状态直接决定脂肪细胞分化能力。过度泛素化会导致二者过早降解，显著抑制脂肪生成。

深入解析泛素化在代谢性疾病中的作用机制，针对相关靶点研发药物，有望为代谢性疾病的治疗与预防提供新策略。

目前已开发多种小分子抑制剂用于癌症治疗，例如硼替佐米、卡非佐米、奥丙佐米和伊沙佐米等蛋白酶体抑制剂（PI）已成功开发用于临床治疗，并显示出良好的疗效。

除了小分子抑制剂的开发，基于诱导靶蛋白降解的思路，研究人员开发了一种名为蛋白水解靶向嵌合体（PROTAC）技术用于相关疾病的治疗。PROTAC分子由两个功能性部分组成：一端配体能够特异性结合靶蛋白，另一端配体则招募E3连接酶，从而促进靶蛋白泛素化并最终介导其降解，基于PROTAC技术研发的ARV-110和ARV-471已进入II期临床试验：

ARV-110：

作用机制：可与 E3 连接酶的 AR 配体识别结构域结合，靶向降解雄激素受体（AR）。

关键效果：在多种细胞系中实现 AR 完全降解（DC50 <1nM）；口服10 mg/kg 时，成功抑制肝细胞癌患者来源异种移植（PDX）模型中“恩杂鲁胺不敏感肿瘤”的生长。

ARV-471：

作用机制：基于 PROTAC 技术，靶向雌激素受体（ER）α。

关键效果：具有潜在抗肿瘤活性，在一项针对 ER+、HER2 -乳腺癌（BC）患者的I期研究中，显著降低肿瘤组织中ER表达，降幅高达90%。

泛素化的发现扩展了我们对溶酶体途径之外的蛋白质质量控制机制的理解。泛素化是一种涉及E1、E2和E3连接酶的三酶级联反应。这些酶的种类繁多有助于泛素化过程的特异性和多样性。DUB充当Ub回收器，使泛素化可逆。二者达到一种动态平衡。

泛素化是维持细胞稳态和调控生命活动的核心机制。其功能不仅局限于蛋白降解，还广泛参与信号传导、细胞周期控制、免疫应答及代谢调节。泛素化失衡往往与肿瘤、神经退行性疾病和代谢紊乱等重大疾病相关。随着小分子抑制剂和PROTAC技术的快速发展，靶向泛素化系统正成为疾病治疗的有前景方向。

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*以上图文信息来自Active Motif Shanghai