蘭秋艷，高媛，李衍常，洪學(xué)傳，徐平

1 武漢大學(xué)藥學(xué)院 組合生物合成與新藥發(fā)現(xiàn)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 4300722 軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院放射與輻射醫(yī)學(xué)研究所 國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)中心 (北京) 北京蛋白質(zhì)組研究中心 蛋白質(zhì)組學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206

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泛素、泛素鏈和蛋白質(zhì)泛素化研究進(jìn)展

蘭秋艷1,2，高媛2，李衍常2，洪學(xué)傳1，徐平1,2

1 武漢大學(xué)藥學(xué)院 組合生物合成與新藥發(fā)現(xiàn)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072
2 軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院放射與輻射醫(yī)學(xué)研究所 國(guó)家蛋白質(zhì)科學(xué)中心 (北京) 北京蛋白質(zhì)組研究中心 蛋白質(zhì)組學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206

蘭秋艷, 高媛, 李衍常, 等. 泛素、泛素鏈和蛋白質(zhì)泛素化研究進(jìn)展. 生物工程學(xué)報(bào), 2016, 32(1): 14–30.

Lan QY, Gao Y, Li YC, et al. Progress in ubiquitin, ubiquitin chain and protein ubiquitination. Chin J Biotech, 2016, 32(1): 14–30.

摘 要:蛋白質(zhì)泛素化是以泛素單體和泛素鏈作為信號(hào)分子，共價(jià)修飾細(xì)胞內(nèi)其他蛋白質(zhì)的一種翻譯后修飾形式。不同蛋白質(zhì)底物、同一底物的不同氨基酸修飾位點(diǎn)以及同一位點(diǎn)上泛素鏈連接方式的不同均可導(dǎo)致細(xì)胞效應(yīng)的差異。蛋白質(zhì)泛素化在真核細(xì)胞內(nèi)廣泛存在，除了介導(dǎo)蛋白質(zhì)的26S蛋白酶體降解途徑之外，還廣泛參與了基因轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)翻譯、信號(hào)傳導(dǎo)、細(xì)胞周期控制以及生長(zhǎng)發(fā)育等幾乎所有的生命活動(dòng)過(guò)程。泛素鏈的形成及其修飾過(guò)程的任何失調(diào)均可導(dǎo)致生物體內(nèi)環(huán)境的紊亂，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的疾病。文中結(jié)合實(shí)驗(yàn)室研究，綜述了泛素的發(fā)現(xiàn)歷史、基因特點(diǎn)、晶體結(jié)構(gòu)，特別是泛素鏈的組裝過(guò)程、結(jié)構(gòu)、功能以及與人類相關(guān)疾病關(guān)系的新進(jìn)展，可為這些疾病的治療靶點(diǎn)和藥物靶標(biāo)的研究提供思路。

關(guān)鍵詞:泛素，泛素鏈，晶體結(jié)構(gòu)，賴氨酸殘基，疾病

Received: March 29, 2015; Accepted: June 4, 2015

Supported by: National Basic Research Program of China (973 Program) (Nos. 2011CB910600, 2013CB911200), National High Technology Research and Development Program (863 Program) (Nos. SS2012AA020502, 2011AA02A114), National Natural Science Foundation of China (Nos. 31070673, 31170780), National Mega Projects for Key Infectious Diseases (No. 2013zx10003002), Key Projects in the National Science & Technology Pillar Program (No. 2012BAF14B00).

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃 (973計(jì)劃) (Nos. 2011CB910600, 2013CB911200)，國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃 (863計(jì)劃) (Nos. SS2012AA020502, 2011AA02A114)，國(guó)家自然科學(xué)基金 (Nos. 31070673, 31170780)，國(guó)家傳染病重大專項(xiàng) (No. 2013zx10003002)，國(guó)家科技支撐計(jì)劃 (No. 2012BAF14B00) 資助。

蛋白質(zhì)是細(xì)胞的主要組成成分，也是細(xì)胞功能的直接執(zhí)行者。蛋白質(zhì)功能的發(fā)揮依賴于細(xì)胞內(nèi)多樣的蛋白質(zhì)翻譯后修飾，其中泛素化修飾在真核細(xì)胞內(nèi)普遍存在。已知人體內(nèi)參與蛋白質(zhì)泛素化的泛素激活酶E1、泛素耦聯(lián)酶E2、泛素連接酶E3以及脫泛素化酶DUB等的編碼基因數(shù)目超過(guò)1 000種，遠(yuǎn)多于細(xì)胞內(nèi)負(fù)責(zé)重要生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)磷酸化相關(guān)激酶和磷酸酶的基因數(shù)量[1-3]，預(yù)示著這種翻譯后修飾的重要性和調(diào)控的復(fù)雜性。在泛素化蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)上，由于底物蛋白上存在多個(gè)賴氨酸殘基，這些賴氨酸位點(diǎn)中的一個(gè)或多個(gè)可同時(shí)被泛素修飾，形成了蛋白質(zhì)翻譯后修飾的宏觀不均一性。即使在同一修飾位點(diǎn)也可形成不同賴氨酸參與的同質(zhì)泛素鏈或者混合泛素鏈的修飾形式；而進(jìn)一步深入研究還發(fā)現(xiàn)泛素分子的N端(甲硫氨酸的游離氨基) 也可發(fā)生泛素化修飾形成線性泛素化鏈，從而產(chǎn)生復(fù)雜多樣的蛋白質(zhì)泛素化修飾中的微觀不均一性[4-5]。這些都從不同側(cè)面反映了真核細(xì)胞中蛋白質(zhì)泛素化修飾的普遍性、結(jié)構(gòu)的多樣性、調(diào)控的復(fù)雜性及功能的重要性[2]。

由于蛋白質(zhì)的泛素化修飾影響甚至決定著被修飾蛋白質(zhì)的命運(yùn)，因此泛素化及其信號(hào)途徑的任何突變或失調(diào)均可引發(fā)包括癌癥、神經(jīng)退行性疾病在內(nèi)的多種嚴(yán)重而且難治愈的人類疾病。因此深入研究泛素及其修飾系統(tǒng)，鑒定泛素化底物蛋白，了解其調(diào)控機(jī)制對(duì)于對(duì)相關(guān)疾病分子機(jī)制的理解和治療具有重要意義。本文就泛素和泛素鏈的結(jié)構(gòu)、功能及泛素化修飾的多樣性和復(fù)雜性等方面進(jìn)行綜述，并結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有工作，介紹國(guó)際上相關(guān)方面研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)。

1　泛素的發(fā)現(xiàn)

泛素最初在分離促胸腺生成素時(shí)在胸腺中被發(fā)現(xiàn)，并被認(rèn)為是普遍存在于真核生物中的免疫生成性多肽UBIP。不同于促胸腺生成素僅促進(jìn)T細(xì)胞分化的作用，泛素能同時(shí)促進(jìn)T細(xì)胞和B細(xì)胞的分化[6]。隨后Goldknopf和Busch發(fā)現(xiàn)泛素C末端可共價(jià)連接到組蛋白H2A賴氨酸殘基的ε-氨基上[7]，揭示了泛素可修飾其他蛋白質(zhì)的特性。1978年，Hershko、Ciechanover以及他們的同事發(fā)現(xiàn)兔網(wǎng)織紅細(xì)胞的無(wú)細(xì)胞裂解物具有依賴于ATP的降解某些底物蛋白質(zhì)的功能[8]。隨后Hough及其合作者從這種兔網(wǎng)織紅細(xì)胞裂解物中成功地純化到了能夠降解多聚泛素-蛋白偶聯(lián)物的26S蛋白酶體[9]，完善了泛素-蛋白酶體系統(tǒng)學(xué)說(shuō)。而泛素-蛋白酶體在系列生理過(guò)程中的重要作用及其分子機(jī)制是由Finely及其合作者闡明的[10]，即泛素能夠修飾底物蛋白，并以此為信號(hào)將底物引導(dǎo)到蛋白酶體進(jìn)行特異性降解，從而維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)[11]。

2　高度保守的泛素基因及其編碼的蛋白質(zhì)序列

泛素這種普遍存在于真核生物體內(nèi)的小蛋白在編碼基因的結(jié)構(gòu)和序列上都是非常保守的。已知在細(xì)胞中編碼泛素蛋白的基因有多個(gè)，且在不同的物種中這些基因或基因簇在染色體上的位置各異。在不同的生理狀態(tài)下，這些由不同基因座編碼的泛素基因可特異地開啟，并按照要求表達(dá)特定量的泛素蛋白，以滿足不同生理?xiàng)l件的需要。

表1展示了泛素基因在不同物種中的分布情況。其中擬南芥中的泛素編碼基因最多，高達(dá)14種，它們?cè)谌旧w上的分布也最為分散。這些基因按照序列特點(diǎn)可分為多聚泛素編碼基因、類泛素基因以及泛素延伸基因3類。如ubq3、ubq4、ubq10、ubq11和ubq14等多聚泛素基因都包含228 bp的泛素串聯(lián)重復(fù)區(qū)域，但在同義替代、泛素編碼區(qū)域的數(shù)量、非泛素部分C末端氨基酸以及染色體定位等方面存在一定的差異，而類泛素基因ubq7、ubq8、ubq9和ubq12也包含串聯(lián)重復(fù)的泛素編碼區(qū)域，但是至少每個(gè)重復(fù)基因編碼一個(gè)發(fā)生了氨基酸替換的蛋白[12]。

除擬南芥外，大多數(shù)生物的泛素編碼基因通常表達(dá)成多聚泛素前體、N端泛素基團(tuán)分別與核糖體多肽L40或S27共融合表達(dá)的UbL40和UbS27融合蛋白 (圖1) 等3種不同的前體結(jié)構(gòu)。在酵母中，這幾種泛素前體分別為由ubi1、ubi2和ubi3產(chǎn)生的融合蛋白以及由ubi4產(chǎn)生的多聚泛素鏈。有趣的是這4個(gè)基因都含有不同的內(nèi)含子序列，其中ubi1、ubi2、ubi3和ubi4 在5′端和3′端均有內(nèi)含子的分布，但這些內(nèi)含子序列相似度不高，表明它們可能具有不同的調(diào)節(jié)功能。ubi1 位于酵母基因組Ⅸ號(hào)染色體上，ubi2位于Ⅺ號(hào)染色體上。這兩個(gè)基因的表達(dá)產(chǎn)物均含一個(gè)泛素多肽和一個(gè)完全相同的含52個(gè)殘基的前體肽。ubi3位于Ⅻ號(hào)染色體上，編碼一個(gè)泛素多肽和一個(gè)包含了76個(gè)氨基酸殘基的前體肽，且這一前體肽與Ubi1和Ubi2前體肽的氨基酸序列相似性較低[13]。ubi4也位于酵母基因組的Ⅻ號(hào)染色體上，編碼一個(gè)由5個(gè)泛素基團(tuán)首尾相連而成的多聚泛素。該多聚泛素是高溫、饑餓或氨基酸類似物刺激等應(yīng)激條件下泛素的主要供應(yīng)者[14]。這4種基因都能在指數(shù)生長(zhǎng)的細(xì)胞中表達(dá)，但在穩(wěn)定期中僅ubi3和ubi4可表達(dá)。

表1　不同物種中泛素基因座位分布Table 1 Ubiquitin genes and their loci in varied species

圖1　泛素分子不同前體結(jié)構(gòu)的示意圖[16]Fig. 1 Schematic representation of different ubiquitin precursor’s structures[16].

這4個(gè)基因編碼的泛素的氨基酸序列完全相同，但它們各有不同的尾部序列。ubi1、ubi2 和ubi3的尾部片段含有預(yù)測(cè)的DNA結(jié)合區(qū)域以及類TFⅢ A核酸結(jié)合區(qū)域，因此這些尾部區(qū)域可能與特定DNA結(jié)合。另有研究者認(rèn)為泛素單體本身作為一種修飾泛素分子的蛋白，而未處理的泛素前體則可能是蛋白水解作用的一種調(diào)節(jié)信號(hào)[13]。這些泛素融合蛋白基因表達(dá)的蛋白可被特異性的內(nèi)肽酶切開，釋放出序列一致的泛素分子，進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)游離的泛素庫(kù)，供機(jī)體使用。而與核糖體蛋白融合表達(dá)的泛素單體不僅提供了細(xì)胞必需的泛素分子，還作為伴侶蛋白加速核糖體的組裝，參與蛋白質(zhì)合成機(jī)器的調(diào)控[15]。

盡管細(xì)胞內(nèi)編碼泛素的基因眾多，但這一由76個(gè)氨基酸組成的蛋白質(zhì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的生物進(jìn)化仍能在氨基酸序列上高度保守，這與該蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的重要功能相符。研究顯示這些泛素分子在同種生物中的氨基酸序列完全一致，即使在不同的物種如芽殖酵母、植物和人體中也僅有4個(gè)氨基酸存在差異 (圖2)。

不僅泛素本身的氨基酸序列保守，多聚泛素前體和UbL40的氨基酸序列在大多數(shù)物種中也是完全一致的，說(shuō)明編碼這兩種蛋白的基因座之間存在頻繁的重組事件。通過(guò)對(duì)編碼這些泛素基因的密碼子分析，研究者發(fā)現(xiàn)UbS27基因座的重組并不像多聚泛素或UbL40基因座那樣均勻。對(duì)比預(yù)測(cè)的UbS27的二級(jí)結(jié)構(gòu)與人類泛素分子的NMR結(jié)構(gòu)顯示泛素蛋白的整體結(jié)構(gòu)似乎比序列更加保守，推測(cè)泛素結(jié)構(gòu)限制了對(duì)UbS27序列退化的容忍程度。進(jìn)一步研究推測(cè)多聚泛素基因座很可能作為一種重組的供體或者底物以維持非等位泛素基因的穩(wěn)定，同時(shí)也為新的類泛素結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生提供序列源泉。比較泛素和類泛素蛋白質(zhì)的序列，泛素蛋白中76個(gè)氨基酸有60個(gè)可發(fā)生替換形成類泛素蛋白，但新形成的類泛素蛋白分子的功能卻沒(méi)有發(fā)生改變，因此泛素折疊的結(jié)構(gòu)需要而不是泛素蛋白的功能需要促成了泛素家族進(jìn)化上的保守性[16]。

3　泛素蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)

泛素以一種特殊的由5個(gè)β折疊包圍著一個(gè)α螺旋的形式存在。這種SSHSSS的結(jié)構(gòu)在類泛素化蛋白中也存在[16]。泛素分子表面存在幾個(gè)對(duì)于其發(fā)揮生物學(xué)功能不可或缺的重要的疏水表面，其中由Ile44、Leu8、Val70以及His68組成的疏水口袋介導(dǎo)泛素單體與蛋白酶體和大多數(shù)泛素結(jié)合結(jié)構(gòu)域 (UBDs) 結(jié)合，且這些保守序列對(duì)于細(xì)胞分裂以及蛋白酶體降解功能的發(fā)揮是必需的[17-18]。以Ile36為中心，加上Leu71 和Leu73形成的疏水表面介導(dǎo)了與泛素鏈的相互作用以及與HECT類泛素連接酶、去泛素化酶[19]和泛素結(jié)合結(jié)構(gòu)域[20]的識(shí)別。由Gln2、Phe4 和Thr12組成的表面可能參與轉(zhuǎn)運(yùn)以及與泛素特異性蛋白酶結(jié)構(gòu)域和UBAN結(jié)構(gòu)域的相互作用[21]。而由Thr12、Thr14、Glu34、Lys6和Lys11組成的TEK-box對(duì)于有絲分裂相關(guān)蛋白的降解是必需的[22]。

圖2　不同物種中泛素氨基酸序列比對(duì)結(jié)果Fig. 2 Ubiquitin amino acids sequence alignment result of different species.

4　蛋白質(zhì)的泛素化修飾和泛素鏈的特異性

泛素蛋白本身可作為信號(hào)分子，經(jīng)由泛素激活酶E1、泛素偶聯(lián)酶E2和泛素連接酶E3的級(jí)聯(lián)反應(yīng)共價(jià)修飾到底物蛋白質(zhì)的賴氨酸殘基上，由此實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)的泛素化。單個(gè)泛素分子修飾底物蛋白上的單個(gè)賴氨酸殘基，可形成單泛素化修飾。多個(gè)泛素分子修飾底物蛋白上的多個(gè)賴氨酸殘基，可形成多泛素化修飾。由于泛素分子本身攜帶有7個(gè)賴氨酸殘基，已經(jīng)共價(jià)修飾到底物蛋白上的泛素分子的賴氨酸殘基還可繼續(xù)發(fā)生泛素化修飾，形成泛素鏈。與此對(duì)應(yīng)，泛素分子N端的甲硫氨酸也有一個(gè)自由的氨基，該氨基可串聯(lián)泛素分子，形成線性泛素鏈。因此細(xì)胞中可存在單泛素化、多泛素化以及8類不同形式的同質(zhì)泛素鏈修飾。如果一個(gè)泛素鏈上結(jié)合泛素本身不同的賴氨酸殘基，形成混合或分支泛素鏈，則進(jìn)一步增加了泛素鏈的復(fù)雜性 (圖3)。定量蛋白質(zhì)組學(xué)研究表明上述泛素鏈在細(xì)胞中均廣泛存在[23]，但其濃度存在一定的差異。在對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期酵母細(xì)胞中，七類由賴氨酸連接的同質(zhì)泛素鏈K6∶K11∶ K27∶K29∶K33∶K48∶K63的百分比約為11∶28∶9∶3∶4∶29∶16[24]。

圖3　不同泛素鏈修飾的示意圖Fig. 3 Schematic representation of the different Ub modifications.

5　泛素鏈的空間結(jié)構(gòu)

不同的賴氨酸連接形成的泛素鏈空間結(jié)構(gòu)各異。同質(zhì)K48泛素鏈彼此緊緊包裹，產(chǎn)生一種緊湊的球狀構(gòu)象[25]。這種鏈通過(guò)與受體蛋白作用，將蛋白導(dǎo)向蛋白酶體并進(jìn)行特異性降解。研究表明至少需要4個(gè)通過(guò)K48連接的泛素組成的泛素鏈才能將底物蛋白導(dǎo)向蛋白酶體[26]。泛素單體表面的疏水性殘基Leu8、Ile44和Val70對(duì)于蛋白酶體識(shí)別K48連接的泛素鏈?zhǔn)种匾猍27]。在近中性pH (pH 6.7) 條件下，該泛素鏈的整體結(jié)構(gòu)非常類似一種關(guān)閉的形式，其Ile44疏水口袋彼此相對(duì)[26-28]；而K6和K11連接的泛素二聚體和泛素四聚體則呈現(xiàn)緊湊的空間結(jié)構(gòu)。由于缺少分子間相互作用，Leu8、Ile44和Val70形成的疏水性口袋暴露在外，這有利于識(shí)別NEMO等伴侶蛋白[4,20]。K11連接的泛素鏈也存在一定的結(jié)構(gòu)靈活性，即在K11連接的二聚泛素鏈上有不對(duì)稱的表面基團(tuán)，并覆蓋著其α螺旋，或者泛素單體通過(guò)Ile36口袋對(duì)稱地相互作用[29-30]。

在泛素結(jié)構(gòu)中，M1和K63位的殘基在空間上接近，因此M1和K63連接的泛素二聚體有相似但不完全相同的空間構(gòu)象。它們的泛素間因沒(méi)有任何聯(lián)系從而都采取等效開放構(gòu)象[31]。大部分含有泛素結(jié)合結(jié)構(gòu)域的結(jié)合伴侶通過(guò)這種泛素鏈識(shí)別泛素基團(tuán)之間的距離和靈活性[32]。K27、K29、K33泛素鏈由于豐度低，富集困難，針對(duì)其晶體結(jié)構(gòu)的研究還較少。

多樣的泛素間連接形式形成了多樣的泛素鏈結(jié)構(gòu)。這些多樣的結(jié)構(gòu)可與相關(guān)蛋白的結(jié)構(gòu)域發(fā)生特異而多樣的相互作用，從而將底物蛋白導(dǎo)向蛋白酶體、溶酶體或其他信號(hào)通路，形成復(fù)雜的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，最終調(diào)控細(xì)胞的重要生命活動(dòng)。

6　不同泛素鏈的組裝方式及其生物學(xué)功能

6.1K48泛素鏈

以Sic1 (Cyclin依賴的激酶抑制劑) 為例，其泛素化可分為兩步。首先是在cullin-RING泛素連接酶SCFCdc4與其泛素耦聯(lián)酶Cdc34作用下，添加第一個(gè)泛素到Sic1上。隨后快速延伸K48連接的泛素鏈。Cdc34酸性環(huán)偏好蛋白質(zhì)底物泛素化中的K48連接的泛素鏈，攻擊SCF結(jié)合的Cdc34-泛素硫酯從而持續(xù)合成K48連接的泛素鏈[33]。

和泛素鏈合成的嚴(yán)格受控相似，泛素鏈的降解也具有一定的特異性。在酵母中脫泛素化酶Ubp15與人的USP7同源，可快速移除泛素單體或二聚體以及K63連接的長(zhǎng)泛素鏈，但移除K48連接的泛素鏈非常慢。這種對(duì)長(zhǎng)泛素鏈的耐受性使K48鏈修飾的底物處于游離狀態(tài)，直到某種泛素連接酶促使其發(fā)生降解[34]。相反，Ubp12很容易從末端開始裂解所有的泛素鏈。

K48泛素鏈的主要作用是負(fù)反饋調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)穩(wěn)定性。已知K48泛素鏈的缺乏對(duì)細(xì)胞是致死的[24]。該泛素鏈通過(guò)與受體蛋白作用，將蛋白導(dǎo)向蛋白酶體降解[35-36]。K48連接的泛素鏈也參與DNA損傷應(yīng)答。當(dāng)DNA損傷時(shí)，RNF8 和RNF168泛素連接酶轉(zhuǎn)移到DNA損傷位點(diǎn)，介導(dǎo)蛋白JMJD2A、JMJD2B和L3MBTL1的泛素化，一方面引導(dǎo)JMJD2A和JMJD2B到蛋白酶體降解，從而解除由于JMJD2A和JMJD2B結(jié)合在甲基化的組蛋白H4K20上而造成的53BP1 (腫瘤抑制因子p53結(jié)合蛋白1) 無(wú)法結(jié)合，促進(jìn)CHK2的高效磷酸化，并激活p53。另一方面L3MBTL1的泛素化會(huì)促進(jìn)VCP/p97和RNF8/168依賴的染色體提取效應(yīng)[37]。

6.2K63泛素鏈

大多數(shù)情況下，合成K63連接的多聚泛素鏈依賴于一個(gè)額外的蛋白——UEV。該蛋白與泛素耦聯(lián)酶Ubc13形成異二聚體[38]。E1催化硫醇轉(zhuǎn)移反應(yīng)將供體泛素加載到Ubc13的半胱氨酸活性位點(diǎn)上，此后第二個(gè)泛素單體加到UEV和E2上，第63位的賴氨酸側(cè)鏈靠近供體泛素，并與Ubc13形成硫酯鍵。由此，K63能夠攻擊硫酯鍵使供體泛素從Ubc13的活性位點(diǎn)上轉(zhuǎn)移到受體泛素的第63位賴氨酸側(cè)鏈上，形成異肽鍵。最后供體泛素轉(zhuǎn)移到受體位點(diǎn)成為受體泛素，繼續(xù)后續(xù)的泛素化。經(jīng)過(guò)多個(gè)循環(huán)可形成K63連接的泛素鏈[39]。另外含JAMM/MPN+結(jié)構(gòu)的脫泛素化酶對(duì)K63泛素鏈的共有特異性也在實(shí)驗(yàn)中得到了證明[40]。

研究還發(fā)現(xiàn)哺乳動(dòng)物細(xì)胞中存在一種可溶性因子ESCRT0以及它的組件STAM和Hrs，可選擇性地結(jié)合K63連接的泛素鏈，阻止其與蛋白酶體結(jié)合，并將底物蛋白特異地定位到溶酶體上[41]。因此，K63泛素鏈在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中主要參與調(diào)節(jié)DNA損傷修復(fù)、線粒體遺傳[42]、核糖體和NF-κB的功能[23,43-45]等非蛋白水解信號(hào)途徑，并與遺傳性帕金森病相關(guān)[46]。但在芽殖酵母中，HECT類泛素連接酶Rsp5能以K63連接的泛素鏈修飾Mga2-p120，將其轉(zhuǎn)位到蛋白酶體中完成降解過(guò)程。同時(shí)該研究也發(fā)現(xiàn)了蛋白酶體對(duì)長(zhǎng)的K63泛素鏈的偏好性[47]。

以亨廷頓舞蹈癥為例，在年輕的亨廷頓蛋白基因敲入鼠中，K48泛素鏈特異性泛素連接酶Ube3a (也稱E6AP) 含量很高，它以K48泛素鏈修飾突變的亨廷頓蛋白，并將其引導(dǎo)到蛋白酶體，進(jìn)行特異性降解。隨著年齡的增長(zhǎng)，Ube3a的含量逐漸減少，蛋白酶體能夠有效降解的突變亨廷頓蛋白逐漸減少，導(dǎo)致突變亨廷頓蛋白被K63泛素鏈修飾，進(jìn)而發(fā)生蛋白質(zhì)聚集，出現(xiàn)選擇性神經(jīng)退行性疾病，并最終形成亨廷頓舞蹈癥[48]。

6.3K11泛素鏈

K11連接的泛素鏈在體內(nèi)和體外均作為蛋白酶體的高效靶向信號(hào)[49-50]。不同于其他鏈，K11泛素鏈的高效合成依賴于泛素表面的TEK-box。有意思的是APC/C底物中同樣發(fā)現(xiàn)了同源的TEK-box結(jié)構(gòu)，它可促進(jìn)成核反應(yīng)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)APC/C是一種Ring finger類泛素連接酶[51]，猜測(cè)APC/C識(shí)別底物和泛素表面相同的TEK-box基序，以此促進(jìn)第一個(gè)泛素到底物賴氨酸殘基的轉(zhuǎn)移。之后APC/C與其特異性的泛素耦聯(lián)酶UbcH10借助泛素表面的TEK-box高效特異地組裝K11鏈，從而實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的細(xì)胞周期調(diào)控[22]。

除泛素連接酶外，近年也有研究鑒定到了K11泛素鏈的其他特異性底物，如泛素耦聯(lián)酶Ubc6。該酶主要合成K11泛素鏈，且在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)降解途徑中發(fā)揮作用[24]。另外OTU家族的去泛素化酶Cezanne特異性地對(duì)K11泛素鏈修飾的底物進(jìn)行去泛素化[29]，再次說(shuō)明了DUB對(duì)泛素鏈的特異性。

6.4K6泛素鏈

K6連接的泛素鏈可由Rad6 (酵母直接同源UbcH2) 催化形成。有趣的是在合適的E3存在時(shí)，Rad6也可以主要催化K48連接的泛素鏈合成。類似的情況在p53泛素化時(shí)也會(huì)發(fā)生。當(dāng)存在E6AP時(shí)，UbcH5c主要催化p53發(fā)生K48泛素鏈修飾；但是當(dāng)BRCA1/BARD1存在時(shí)，UbcH5c主要催化生成K6泛素鏈[52]。此外，紅褐蛋白環(huán)指蛋白1 (MGRN1) 能以K6泛素鏈修飾α-tubulin[53]。除泛素化修飾的特異性外，最新研究表明去泛素化酶USP8能特異性消化Parkin蛋白上K6泛素鏈，從而招募Parkin到去極化的線粒體中，最后經(jīng)線粒體自噬得以消除[54]。

K6連接的泛素鏈的生理功能至今不甚明了。已有的研究表明K6泛素鏈能夠修飾一種腫瘤抑制因子BRCA1。BRCA1本身可與BARD1組成異二聚體，具有E3泛素連接酶的活性，催化泛素鏈的形成，并參與包括DNA修復(fù)、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)以及細(xì)胞周期檢驗(yàn)點(diǎn)控制等[55]多種細(xì)胞過(guò)程。BRCA1的突變可能造成遺傳性胸癌或卵巢癌[56]等多種人類嚴(yán)重疾病。雖然BRCA1泛素化后續(xù)的信號(hào)傳遞機(jī)制尚不清楚，但是這足以說(shuō)明K6連接的泛素鏈對(duì)機(jī)體正常生命活動(dòng)的重要性。

6.5K27、29、33泛素鏈

由于K27/29/33連接的泛素鏈在生物體內(nèi)的含量偏低，富集困難，因此針對(duì)這幾種泛素鏈的研究還較少。但是僅有的一些研究已經(jīng)表明這幾種泛素鏈在生命活動(dòng)中也扮演著重要的角色。

泛素連接酶TRAF6在組裝K63連接的泛素鏈中發(fā)揮作用，但也促進(jìn)K6、K27和K29泛素鏈在帕金森疾病相關(guān)蛋白DJ-1和α-synucluin上的組裝，從而促進(jìn)它們?cè)诩?xì)胞質(zhì)中的積累。在宿主與病原相互作用時(shí)，兩種不同的K27泛素鏈修飾NF-κB調(diào)節(jié)亞基IFFγ (也叫NEMO)。在病毒感染時(shí)，泛素連接酶TRIM23添加K27泛素鏈到IFFγ上，激活I(lǐng)FFγ并產(chǎn)生抗病毒干擾素β。相反，當(dāng)志賀氏桿菌感染時(shí)，細(xì)菌泛素連接酶IpaH9.8添加另一種K27泛素鏈到IFFγ上，促進(jìn)其降解，從而抑制NF-κB信號(hào)和宿主防御應(yīng)答[57-58]。轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)蛋白Jun的半衰期也嚴(yán)格地受到K27泛素鏈的調(diào)控。在多個(gè)類型的細(xì)胞中很多泛素連接酶能特異性地催化Jun發(fā)生K27泛素鏈修飾，進(jìn)而經(jīng)由TSG101和HRS的識(shí)別將其轉(zhuǎn)位到溶酶體，完成蛋白質(zhì)自身的降解，以應(yīng)答不同的刺激[59]。此外，最新的研究還發(fā)現(xiàn)K27連接的泛素鏈也在抑制自身免疫性疾病中發(fā)揮作用[60]。

Deltex (DTX) 和AIP4是果蠅deltex與其抑制基因的人類直系同源基因，參與抑制Notch信號(hào)途徑。這兩種基因分別編碼RING-H2和HECT類泛素連接酶。研究發(fā)現(xiàn)這兩種分子相互影響，并且部分共定位于內(nèi)吞膜泡中。AIP4主要組裝K29連接的泛素鏈，并將自身與DTX泛素化，引導(dǎo)DTX靶向溶酶體降解，表明K29連接形式與溶酶體降解和內(nèi)吞作用相關(guān)[61]。另外K29連接的泛素鏈也參與蛋白酶體靶向信號(hào)，與招募底物蛋白解折疊伴侶蛋白 (如VCP/Cdc48p) 的過(guò)程相關(guān)[62]。

最近研究發(fā)現(xiàn)一種新的泛素連接酶CUL3-KLHL20可催化CRN7的K33泛素鏈修飾。修飾后的CRN7定位于高爾基體網(wǎng)反面，從而穩(wěn)定F肌動(dòng)蛋白，并促進(jìn)post-Golgi轉(zhuǎn)運(yùn)[63-64]。在T細(xì)胞中也發(fā)現(xiàn)了K33的泛素鏈。這些K33泛素鏈?zhǔn)怯煞核剡B接酶Cbl-b和Itch共同催化TCR-ζ的泛素化修飾形成的，可抑制TCR-ζ信號(hào)的磷酸化及與酪氨酸激酶Zap-70的聯(lián)系，最終約束TCR信號(hào)[65]。

6.6線性泛素鏈

泛素分子N端的甲硫氨酸殘基 (M1) 也可與另一個(gè)泛素分子C末端的羧基共價(jià)結(jié)合，形成線性泛素鏈[31]。一個(gè)600 kDa的E3復(fù)合物L(fēng)UBAC負(fù)責(zé)形成線性泛素鏈。該復(fù)合體包括泛素連接酶HOIL-1、HOIL-1相互作用蛋白HOIP 和SHARPIN等三部分。由于HOIL-1含有與泛素相互作用的結(jié)構(gòu)域UBL，而HOIP上有與蛋白酶體結(jié)合的結(jié)構(gòu)域UBA，推測(cè)LUBAC具有將靶蛋白導(dǎo)向蛋白酶體降解的作用[66]。LUBAC功能多樣，不僅參與炎癥抑制和免疫應(yīng)答調(diào)節(jié)[67]，還在炎癥和固有免疫中參與NOD2信號(hào)傳遞[68]、NF-κB信號(hào)激活[69]、TNF介導(dǎo)的基因誘導(dǎo)[70]、負(fù)反饋調(diào)節(jié)RIG-1和TRIM25介導(dǎo)的1型干擾素感應(yīng)[71]以及巨噬細(xì)胞Toll樣受體2 (TLR2) 應(yīng)答[72]等多種信號(hào)傳遞過(guò)程 。

現(xiàn)今研究最清楚的是其在TNF受體1 (TNFR1) 中的作用。當(dāng)有TNF信號(hào)刺激時(shí)，TNF 與TNFR1交聯(lián)形成TNF-RSC，交聯(lián)的TNFR1招募TNFR1相關(guān)的死亡結(jié)構(gòu)域 (TRADD) 和受體相互作用蛋白PIP1、TNFR相關(guān)因子 (TRAF2)被招募到TRADD，cIAP (細(xì)胞凋亡抑制蛋白) 1 和2轉(zhuǎn)移到TRAF2，LUBAC轉(zhuǎn)移到Ciap (有E3連接酶活性)，并形成泛素化。LUBAC隨后以線性泛素鏈修飾RIP1和NF-κB必需的調(diào)節(jié)因子NEMO。cIAPs和LUBAC使用不同的泛素鏈賦予TNF-RSC不同的基因活化功能，使NF-κB激酶 (IKK) 和TAK/TAB (TNF-β活化激酶1和TAK1結(jié)合蛋白) 復(fù)合物在TNF-RSC中實(shí)現(xiàn)正確定位和差異調(diào)節(jié)[73]。

而最新的研究表明在骨髓衍生巨噬細(xì)胞中一種新的HOIL-1L作為NLRP3/ASC炎性小體活化的必需調(diào)節(jié)子。當(dāng)NLRP3受到刺激時(shí)，NLRP3炎性小體適配器蛋白凋亡相關(guān)斑點(diǎn)樣蛋白ASC發(fā)生線性泛素鏈修飾，從而在細(xì)胞質(zhì)中由分散的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槊黠@的區(qū)域分布。此外LUBAC能夠活化caspase 1從而以一種獨(dú)立于NF-κB的形式促進(jìn)IL-1β的形成。這說(shuō)明LUBAC也可以作為固有免疫的一種調(diào)節(jié)因子[74-75]。

6.7混合和分支泛素鏈

相對(duì)于同質(zhì)泛素鏈，混合和分支泛素鏈的組裝和拓?fù)鋵W(xué)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，對(duì)其進(jìn)行研究也更加困難。但已有的結(jié)果顯示混合和分支泛素鏈同樣具有重要的生物學(xué)功能。

目前對(duì)于混合和分支泛素鏈的組裝機(jī)制研究比較清楚的是APC/C組裝的分支泛素鏈。首先Ube2C以含K11、K48、K63的短泛素鏈修飾APC/C的底物，之后Ube2S添加大約6個(gè)K11連接的泛素分子到這些短泛素鏈上，從而在底物上形成分支泛素鏈。這些分支泛素鏈能快速地將底物從APC/C復(fù)合物中移出，導(dǎo)向蛋白酶體，發(fā)生降解。這一過(guò)程能介導(dǎo)包括Cdc20在內(nèi)的許多APC/C底物的降解，從而促使紡錘體檢驗(yàn)點(diǎn)的去組裝，使細(xì)胞退出有絲分裂[76-77]。另外，Kaposi’s肉瘤相關(guān)皰疹病毒K5基因產(chǎn)物也能以K11和K63連接的混合泛素鏈修飾組織相容性復(fù)合物MHCⅠ，從而促進(jìn)MHCⅠ的內(nèi)吞作用[78]。而K63和M1連接的混合泛素鏈能修飾白細(xì)胞介素1相關(guān)激酶IRAK1、類Toll受體1/2激動(dòng)劑1/2、髓樣分化初反應(yīng)基因88 MyD88以及IRAK4等，從而活化IκB激酶 (IKK)復(fù)合物[79]。

6.8單泛素化修飾

單泛素化并不像通常的多聚泛素鏈一樣將底物蛋白導(dǎo)向蛋白酶體進(jìn)行降解，而是受體內(nèi)化、膜泡分選[23]、轉(zhuǎn)錄激活、DNA修復(fù)[80]、Ras活化[81]和基因沉默的信號(hào)[82]。最先鑒定到的泛素化組蛋白H2A即是單泛素化蛋白，但這種修飾事件的功能至今未證明。在酵母中H2B是唯一已知的存在泛素化修飾的組蛋白。在組蛋白乙酰化或泛素化缺陷的突變中，一種SWI/SNF染色體重構(gòu)因子定位到GAL1上游激活序列，但是在二者皆突變時(shí)不會(huì)出現(xiàn)。這說(shuō)明H3的乙?；cH2B的泛素化在轉(zhuǎn)錄激活中存在相同的功能[83]。另外H3 第4位賴氨酸的甲基化與染色體沉默相關(guān)。通過(guò)突變抑制Rad6介導(dǎo)的H2B的第123位賴氨酸的泛素化，可使Set1介導(dǎo)的組蛋白H3第4位的賴氨酸殘基無(wú)法發(fā)生甲基化，從而造成染色體端粒沉默[84]。此外，H2B 的C末端螺旋參與了核小體間的相互作用。因此H2B的C末端第123位賴氨酸殘基的泛素化可能破壞這些核小體間的相互作用，改變局部和整體的染色體折疊形式，從而影響基因的表達(dá)[85]。

7　泛素突變對(duì)機(jī)體生存能力的影響

Finley通過(guò)同源重組的方式以特定標(biāo)記基因HIS、TRP1、LEU分別替換UBI1、UBI2和UBI4等泛素編碼基因，并突變UBI3基因中編碼泛素的部分，形成酵母染色體上泛素基因完全缺失的菌株。在此基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)化進(jìn)一個(gè)攜帶CUP1啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)的泛素基因的質(zhì)粒，由此成功構(gòu)建了與野生型酵母細(xì)胞泛素表達(dá)水平相當(dāng)?shù)慕湍妇?。該工程菌株的?gòu)建大大簡(jiǎn)化了酵母細(xì)胞中泛素基因的進(jìn)一步改造[14-15,86]。

研究發(fā)現(xiàn)K6、K11、K27、K29、K33等非常規(guī)賴氨酸殘基連接的泛素鏈在體內(nèi)均廣泛存在，并且都可將底物蛋白質(zhì)靶向蛋白酶體降解[41]。但這些多樣的連接形式又有不同的冗余功能，從而造成了泛素修飾影響的廣泛性和功能多樣性。突變研究表明K48R的突變無(wú)法維持酵母的生存，且只保留第48位賴氨酸也不足以維持酵母的生存。而保留K29、K33和K48三個(gè)賴氨酸的泛素突變體盡管可維持酵母的生長(zhǎng)，但會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的生長(zhǎng)阻滯。各種泛素突變株在YPD培養(yǎng)基中的生長(zhǎng)速率為：WT= R11=R11R63>R27>R11R27R63>R6R11R27R63，這表明突變對(duì)細(xì)胞增殖有一種累積的負(fù)效應(yīng)[24]。

泛素分子內(nèi)部含有由13個(gè)脂肪族氨基酸形成的疏水核心和兩個(gè)極性氨基酸 (Thr7和Gln41) 組成的溶劑難接近區(qū)。為了檢測(cè)這些內(nèi)部的氨基酸如何影響蛋白功能，有研究者以丙氨酸掃描誘變策略測(cè)定丙氨酸替換突變對(duì)于酵母生長(zhǎng)的影響。他們發(fā)現(xiàn)除I30A和L43A突變外的其余13種氨基酸突變對(duì)酵母生長(zhǎng)沒(méi)有毒性，而I30A突變會(huì)造成泛素化蛋白降解的缺陷，L43A突變會(huì)造成細(xì)胞中游離泛素鏈的缺失，二者都造成了蛋白水解作用的缺陷，從而導(dǎo)致細(xì)胞無(wú)法生長(zhǎng)[87-88]。

8　泛素-蛋白酶體系統(tǒng)失調(diào)和人類疾病

蛋白質(zhì)泛素化修飾在細(xì)胞周期、細(xì)胞分裂、細(xì)胞分化、細(xì)胞發(fā)育、對(duì)細(xì)胞內(nèi)外刺激的應(yīng)答、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)形態(tài)的形成、細(xì)胞表面受體調(diào)節(jié)、離子通道和分泌途徑、DNA修復(fù)、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)和基因沉默、長(zhǎng)時(shí)記憶、生物周期節(jié)律、免疫調(diào)節(jié)、炎癥應(yīng)答以及細(xì)胞器的形成等細(xì)胞生命活動(dòng)的方方面面均起著重要的作用[35,89]。這些過(guò)程的失調(diào)可引發(fā)如帕金森病、阿爾茨海默癥、亨廷頓癥、普里昂癥以及肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥等多種嚴(yán)重的人類疾病[90]。

Uba6 (E1)-Use1 (E2) 介導(dǎo)底物蛋白泛素化的級(jí)聯(lián)反應(yīng)，通過(guò)調(diào)節(jié)這些蛋白的特異性降解實(shí)現(xiàn)對(duì)鼠胚胎發(fā)育的有效調(diào)控。如在鼠胚胎發(fā)育時(shí)期缺失Uba6會(huì)造成海馬和杏仁體神經(jīng)元結(jié)構(gòu)的改變，樹突刺密度的減少以及多種行為的紊亂。在Uba6缺陷鼠中，雖然Ube3a的底物Arc的量減少了，但與樹突刺功能相關(guān)的Ube3a 和Shank3在杏仁體中的水平得到了提升。因此Uba6和Use1在鼠的胚胎纖維母細(xì)胞中促進(jìn)Ube3a發(fā)生K48泛素鏈修飾，從而促進(jìn)其轉(zhuǎn)運(yùn)到蛋白酶體降解。該現(xiàn)象在人細(xì)胞模型的研究也得到了證實(shí)，顯示了這一分子對(duì)于胚胎發(fā)育的重要性[91]。

另外，去泛素化酶CYLD與家族性圓柱瘤密切相關(guān)。CYLD是一種腫瘤抑制因子，可對(duì)非K48泛素鏈發(fā)揮去泛素化作用。正常情況下，當(dāng)受體活化時(shí)，會(huì)引發(fā)TRAF2、TRAF6和NEMO (IKKγ) 亞基發(fā)生K63泛素鏈修飾，從而活化IKK復(fù)合物，磷酸化IκB。隨后IκB被K48泛素鏈修飾，導(dǎo)向蛋白酶體發(fā)生降解，實(shí)現(xiàn)NFκB信號(hào)的下調(diào)。突變的CYLD可引發(fā)NFκB信號(hào)的上調(diào)，使得機(jī)體耐受凋亡等刺激的能力增強(qiáng)，從而形成腫瘤[92]。

9　展望

近年來(lái)，泛素這一信號(hào)分子的重要性得到了越來(lái)越多的關(guān)注和證明。但隨著研究的深入，更多的泛素及其修飾的生物學(xué)問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)，有待多學(xué)科的科學(xué)家去探索。在泛素化蛋白研究的技術(shù)方面，高覆蓋定量蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展為泛素-蛋白酶體系統(tǒng)的深入研究提供了契機(jī)?？贵w、表位標(biāo)簽、串聯(lián)親和純化、定點(diǎn)突變等策略使得富集低豐度的泛素化蛋白質(zhì)底物成為可能。在數(shù)據(jù)分析方面，生物信息學(xué)人才的加盟為蛋白質(zhì)泛素化的系統(tǒng)生物學(xué)研究提供了便利。他們系統(tǒng)收集、匯總、處理、存儲(chǔ)和呈現(xiàn)了泛素/泛素化相關(guān)的信息和數(shù)據(jù)，成功構(gòu)建了包括UbiProt (泛素化修飾底物蛋白數(shù)據(jù)庫(kù)：http://ubiprot.org.ru/)、hUbiquitome (實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的人類泛素化相關(guān)蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)：http://202.38.126.151/hmdd/hubi/)、E3Miner (使用文本挖掘方法建立的泛素化E3數(shù)據(jù)庫(kù)：http://e3miner.biopathway.org/e3miner.html)、E3Net (升級(jí)的E3Miner：http://pnet.kaist.ac.kr/ e3net/)等系列數(shù)據(jù)庫(kù)。這些數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建不僅集中了特定的泛素相關(guān)信息，而且為構(gòu)建細(xì)胞內(nèi)泛素相關(guān)信號(hào)通路網(wǎng)絡(luò)及泛素化與其他翻譯后修飾的復(fù)雜關(guān)聯(lián)奠定了基礎(chǔ)，也為更好地預(yù)測(cè)泛素化位點(diǎn)和泛素化修飾的基序提供了線索[93]。如何解讀這些海量數(shù)據(jù)并且用生物學(xué)的方法驗(yàn)證這些數(shù)據(jù)隱含的生物學(xué)信息、如何獲得各種不同連接形式的泛素鏈?zhǔn)且恢币詠?lái)困擾科學(xué)界的難題。最近Tatjana Schneider等利用密碼子擴(kuò)張和以點(diǎn)擊化學(xué)為基礎(chǔ)的聚合作用合成了人工泛素鏈，為我們分析復(fù)雜的泛素信號(hào)提供了契機(jī)[94]。未來(lái)人們將繼續(xù)關(guān)注泛素系統(tǒng)的時(shí)空活性及其在多種生理過(guò)程中所扮演的重要角色，并就泛素鏈及泛素相關(guān)酶類的特異性進(jìn)行探究。

此外，人們對(duì)以泛素-蛋白酶體系統(tǒng)關(guān)鍵蛋白作為藥靶的可行性也給予了越來(lái)越多的關(guān)注。如何將基礎(chǔ)研究所得結(jié)果快速轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際應(yīng)用，以期找到治療某些疾病的方法是我們需要面對(duì)的重大問(wèn)題。未來(lái)人們希望鑒定所有的泛素修飾酶，揭示泛素化引導(dǎo)的分子信號(hào)及其生物學(xué)功能，建立泛素化與其他翻譯后修飾的串聯(lián)相互作用網(wǎng)絡(luò)，從而發(fā)現(xiàn)與某些疾病相關(guān)的關(guān)鍵蛋白的泛素化靶點(diǎn)，開發(fā)單靶點(diǎn)或多靶點(diǎn)藥物，為人類戰(zhàn)勝現(xiàn)今無(wú)法治療的疾病作出貢獻(xiàn)[57]。

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(本文責(zé)編 郝麗芳)

工業(yè)生物技術(shù)

Progress in ubiquitin, ubiquitin chain and protein ubiquitination

Qiuyan Lan1,2, Yuan Gao2, Yanchang Li2, Xuechuan Hong1, and Ping Xu1,2
1 Key Laboratory of Combinatorial Biosynthesis and Drug Discovery (Wuhan University), Ministry of Education, Wuhan University School of Pharmaceutical Sciences, Wuhan 430072, Hubei, China
2 State Key Laboratory of Proteomics, Beijing Proteome Research Center, Beijing Institute of Radiation Medicine, National Center for Protein Sciences Beijing, Beijing 102206, China

Abstract:Protein ubiquitination is one of the most important and widely exist protein post-translational modifications in eukaryotic cells, which takes the ubiquitin and ubiquitin chains as signal molecules to covalently modify other protein substrates. It plays an important roles in the control of almost all of the life processes, including gene transcription and translation, signal transduction and cell-cycle progression, besides classical 26S protesome degradation pathway. Varied modification sites in the same substrates as well as different types of ubiquitin linkages in the same modification sites contain different structural information, which conduct different signal or even determine the fate of the protein substrates in the cell. Any abnormalities in ubiquitin chain formation or its modification process may cause severe problem in maintaining the balance of intracellular environment and finally result in serious health problem of human being. In this review, we discussed the discovery, genetic characteristics and the crystal structure of the ubiquitin. We also emphasized the recent progresses of the assembly processes, structure and their biological function of ubiquitin chains. The relationship between the disregulation and related human diseases has also been discussed. These progress will shed light on the complexity of proteome, which may also provide tools in the new drug research and development processes.

Keywords:ubiquitin, ubiquitin chains, crystal structure, lysine, diseases

DOI:10.13345/j.cjb.150136

Corresponding author:Ping Xu. Tel: +86-10-83147777-1314; Fax: +86-10-80705155; E-mail: xupingghy@gmail.com