蛋白作为生命功能主要的执行物质，蛋白质稳态对细胞功能的正常发挥是至关重要的。在蛋白行使功能或者在合成、折叠、转运等过程中，如果蛋白质稳态失衡则会引发各种病变。人类细胞中存在两类主要的蛋白质降解途径，即泛素-蛋白酶体系统（ubiquitin-proteasome system，UPS）和溶酶体-自噬通路。其中，80%-90%蛋白质的降解是由泛素-蛋白酶体系统介导完成的。
当前“泛素化”的研究热度依旧是一路攀升，2022-2023年该领域的资助经费均破亿元。2024中标项目数量超过240个，可以说这个领域依旧是当前研究的热点，也是国自然的“常驻嘉宾”。针对这项经久不衰的研究方向，我们来看看泛素化到底是什么，以及如何应用于临床。
图1：泛素化国自然经费和项目数量统计
自从1975年泛素被发现以来，各类相关研究层出不穷。2000年，拉斯克基础医学研究奖授予Aaron Ciechanover，Avram Hershko和Alexander Varshavsky，因发现和认识调节蛋白质降解的泛素系统。2004年，Aaron Ciechanover，Avram Hershko和Irwin Allan Rose因发现泛素介导的蛋白质降解共同获得诺贝尔化学奖，掀起了泛素化研究的狂潮。至今“Ubiquitination”相关文章超过100,000篇，其中泛素化蛋白质组学文章仅占6%。因此，在蛋白质组学蓬勃发展的今天，泛素化修饰组学还有非常广阔的研究空间和前景。
图2：2000年拉斯克基础医学奖（左），2004年诺贝尔化学奖（右）
泛素（Ubiquitin，Ub）是一种由76个氨基酸组成的高度保守的多肽，几乎存在于真核生物的所有组织中，因其广泛分布于从酵母到人类各类细胞而得名[1]。分子量约8.5kDa，在进化过程中高度保守，全长包含7个赖氨酸（Lys）位点（K6，K11，K27，K33，K48和K63）、一个位于N端的甲硫氨酸（Met）位点（M1）以及一个位于C端的甘氨酸（Gly）位点（G76）。
图3：泛素结构[2]
泛素共价地结合于底物蛋白质的赖氨酸残基,被泛素标记的蛋白质将被特异性地识别并迅速降解。泛素化涉及三个主要步骤：活化，结合和连接，分别由泛素激活酶（E1），泛素结合酶（E2s）和泛素连接酶（E3s）执行。去泛素化由去泛素化酶（DUB）执行，将泛素从底物中去除并将泛素再循环到胞质池中。
图4：泛素化和去泛素修饰形成过程[3]
Ub结合域(UBD)可嵌入具有各种细胞功能的多种蛋白质内。目前已鉴别出20多种UBD。因此可形成多种Ub修饰类型，最简单的形式是靶蛋白结合单个Ub分子，称为单泛素化。靶蛋白的多个Lys(赖氨酸)残基同时被单个Ub分子标记称为多泛素化。靶蛋白的单个Lys残基被多个Ub分子标记称为多聚泛素化。
多聚泛素化需要E1、E2和E3三种酶级联催化,而单泛素化一般仅需E1和E2催化。Ub本身也含有7个Lys残基(K6、K11、K27、K29、K33、K48和K63)，这些Lys都能与另一个Ub进一步偶联形成特异的多聚泛素链。
在所有类型的多泛素链中，K48、K63是研究最广泛的。经典的K48连接的泛素化靶向底物蛋白被蛋白酶体降解，而K63连接的泛素化广泛参与信号转导和DNA损伤反应。其他六种类型的泛素化连接被称为“非典型”泛素化。不同的泛素链介导不同的功能（图5）。
图5：泛素不同连接类型及其功能[5]
泛素化通过对蛋白质稳定性、活性、亚细胞定位以及与其它蛋白质相互作用等方面进行调控，广泛参与了诸如免疫反应调控、DNA损伤修复、细胞周期调控、细胞增殖、凋亡和蛋白质降解等几乎一切生命活动的调控。进而参与神经退行性疾病、免疫疾病、代谢性疾病等多种疾病的发生发展过程。
蛋白质水解靶向嵌合体（PROTAC）是一种近些年新兴的精准医学策略，通过泛素-蛋白酶体系统 （UPS）使靶蛋白泛素化，从而实现对肿瘤生长的控制。PROTAC 能够靶向几乎所有细胞内的蛋白以及跨膜蛋白进行降解，包括以前被认为“不可成药”的蛋白。
图6：PROTAC介导的目标蛋白泛素化和蛋白酶体降解的过程[6]
目前，国内外众多科研机构和企业纷纷投入巨资进行PROTAC药物的研发，并取得了一系列令人瞩目的成果（图7）。目前还有很多未知靶点等待发掘，我们共同期待泛素化和PROTAC技术在未来实现更多转化！
图7：PROTAC靶向蛋白降解剂在临床开发中的应用[7]
参考文献
[1] 陈季武,郑丽娜,王帮正,等.泛素化介导的非蛋白质降解功能[J].生物化学与生物物理进展,2012,39(07):613-621.
[2] Swatek, Kirby N, and David Komander. “Ubiquitin modifications.” Cell research vol. 26,4 (2016): 399-422. doi:10.1038/cr.2016.39
[3] Dikic,Ivan,andBrendaASchulman.“Anexpandedlexiconfortheubiquitincode.”Naturereviews. Molecular cell biology vol. 24,4(2023):273-287.doi:10.1038/s41580-022-00543-1
[4] 陈科,程汉华,周荣家.自噬与泛素化蛋白降解途径的分子机制及其功能[J].遗传,2012,34(01):7-20.
[5] Mooney, E C, and S E Sahingur. “The Ubiquitin System and A20: Implications in Health and Disease.” Journal of dental research vol. 100,1 (2021): 10-20. doi:10.1177/0022034520949486
[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
