蛋白質的肽修飾：泛素化、蘇木化和NEDD化（一）

反應階段中T細胞和B細胞分別分化成什麼樣的細胞?

蛋白質的修飾有多種型別，除了常見的無機和有機小分子修飾，如磷酸化、糖基化、脂醯化等，還有一類用小肽進行修飾的，例如泛素化（ubiquitination）、蘇木化（SUMOylation）、NEDD化（neddylation）等。

泛素（ubiquitin）一詞來源於它在真核生物中普遍表達。泛素最初是在胸腺中發現的，被認為廣泛參與T細胞和B細胞的分化，所以Goldstein等將其命名為UBIP（ubiquitous immunopoietic polypeptide）。

泛素結構。Molecules。 2020 Dec； 25（24）： 5933。

泛素修飾最主要的生化功能就是實現蛋白質的選擇性降解。需要降解的蛋白被專門的酶（泛素連線酶）識別並與泛素連線，然後帶有泛素標記的蛋白被蛋白酶體降解。

這一功能的發現可以追溯到1953年，Simpson 發現ATP可以促進細胞中的蛋白質降解。因為一般的蛋白酶並不需要ATP，所以這一發現有些“不合理”，並未引起重視。直到1977年，Goldberg等報道，在網織紅細胞的提取液中加入ATP顯著促進蛋白質的分解。

紅細胞形態演變。百度圖片

網織紅細胞是紅細胞分化過程中的最後一箇中間體，其細胞核已經排出。在向成熟紅細胞轉化的過程中，許多蛋白已經不再需要，因而被快速降解。所以網織紅細胞非常適合蛋白質降解的研究，後來的許多重要發現都是在網織紅細胞中做出的。

1977年，Goldknopf等發現泛素可以與組蛋白2A透過異肽鍵連線。1979年，Hershko等發現網織紅細胞中的某種成分可以促進ATP依賴的蛋白質降解，後來從中純化出一種小分子蛋白，命名為ATP-dependent proteolysis factor（APF-1），1980年發現它就是泛素。

Hershko等提出了泛素假說：泛素透過E1（泛素啟用酶）、E2（泛素結合酶）、E3（泛素連線酶）的多級反應，與目標蛋白共價結合，形成聚泛素鏈，作為蛋白水解酶攻擊的標記，從而使目標蛋白迅速分解。1987年，Hough等從網織紅細胞中純化出能夠降解多聚泛素-蛋白偶聯物的蛋白酶體，完善了泛素-蛋白酶體系統學說。

泛素-蛋白酶體系統。百度圖片

泛素-蛋白酶體系統（UPS）可以用來控制特定蛋白質的壽命，從而調節多種細胞功能，如細胞分裂、DNA修復、免疫防禦等。所以2004年諾貝爾化學獎被授予以色列理工學院的亞倫·西查諾弗（Aaron Ciechanover）和阿夫拉姆·赫什科（Avram Hershko），以及美國加州大學的歐文·羅斯（Irwin Rose），即1979年那篇論文的三位作者。

泛素研究獲得2004諾獎。諾貝爾基金會

泛素與底物的結合是透過由E1、E2和E3催化的多步反應進行的。E1利用ATP水解產生的能量，使自身催化位點半胱氨酸的巰基與泛素的羧基之間產生硫酯鍵。然後，活化的泛素被轉移至E2的巰基上。最後，由E3將泛素轉移到特定的底物上。

泛素化的特異性由E3決定，所以E3有很多種，各自負責不同型別的蛋白。當某一類蛋白需要加快降解時，相應的E3會被特定通路啟用，從而將那些蛋白泛素化，透過蛋白酶體降解。據統計，人類有兩個E1基因UBA1和UBA6，約五十個E2基因和700多種E3基因。

泛素化機制和E3型別。Molecules。 2020 Dec； 25（24）： 5933。

E3泛素連線酶分為三個家族：HECT型，RING型和RBR型。HECT型包含HECT（homologous to the E6-AP carboxyl terminus）結構域，該結構域透過一個半胱氨酸巰基接受來自E2的活性泛素，形成E3-泛素中間體。RING型含有C3HC4結構的RING（Really Interesting New Gene）結構域，不生成E3-Ub中間體，而是直接將泛素從E2轉移至底物。

RBR（RING-between-RING）型含有兩個 RING域（RING1和RING2）和一個RING間（In-Between RING，IBR）結構域。RING2在功能上類似於HECT域，包含一個保守的催化半胱氨酸，可接受活性泛素形成E3-Ub中間體。RING1負責募集E2並轉移泛素至RING2。

泛素化是一種可逆修飾，逆反應由去泛素化酶（Deubiquitinating enzyme，DUB）催化。DUB不僅用於解除泛素化修飾，還參與泛素的成熟、編輯與回收，從而維持泛素系統的平衡。

病毒透過DUB影響先天免疫系統。J Mol Biol。 2017 Nov 10； 429（22）： 3441–3470。

DUB還與感染過程相關，許多病原體攻擊宿主細胞泛素系統以利於自己的生存和增殖。例如，先天免疫系統對於抵抗病毒侵襲具有重要作用，而其活性受到泛素化調控。腺病毒、皰疹病毒、冠狀病毒等可以編碼DUB，抑制干擾素和促炎細胞因子的表達，降低先天免疫系統活性。

病毒DUB干擾先天免疫應答。J Mol Biol。 2017 Nov 10； 429（22）： 3441–3470。

參考文獻：

1。 Goldstein G。， et al。 Isolation of a polypeptide that has lymphocyte differentiating properties and is probably represented universally in living cells。 Proc。 Natl。 Acad。 Sci。 USA。 1975；72：11–15。

2。 I L Goldknopf， et al。 Isopeptide linkage between nonhistone and histone 2A polypeptides of chromosomal conjugate-protein A24。 Proc Natl Acad Sci U S A。 1977 Mar； 74（3）： 864–868。

3。 A Hershko， A Ciechanover， and I A Rose。 Resolution of the ATP-dependent proteolytic system from reticulocytes： a component that interacts with ATP。 Proc Natl Acad Sci U S A。 1979 Jul； 76（7）： 3107–3110。

4。 R Hough， et al。 Purification of two high molecular weight proteases from rabbit reticulocyte lysate。 J Biol Chem。 1987 Jun 15；262（17）：8303-13。

5。 Domarin Khago， et al。 The Role of Conformational Dynamics in the Recognition and Regulation of Ubiquitination。 Molecules。 2020 Dec； 25（24）： 5933。

6。 Ben A。 Bailey-Elkin， et al。 Structure and Function of Viral Deubiquitinating Enzymes。 J Mol Biol。 2017 Nov 10； 429（22）： 3441–3470。