泛素-蛋白酶体通路与癌症关系的研究进展

泛素-蛋白酶体通路与癌症关系的研究进展

张海满

（山东农业大学生命科学学院山东泰安201018）

摘要：泛素化过程是真核细胞内重要的蛋白质质控系统，参与细胞的多种生理活动过程，对维持细胞正常的生理功能具有十分重要的意义。泛素-蛋白酶体途径（UPP）的异常改变不仅与癌症的病因学有着直接关素，并且与癌症的发展和预后有着密切的关系。本文综述了泛素的构成、泛素链的形成过程、UPP的生理和病理功能及UPP与癌症的关系的研究进展。

关键词：泛素-蛋白酶体通路；UPP；癌症；研究

细胞内蛋白质的产生和降解必须保持着动态平衡，才能维持细胞的稳态和正常功能。泛素-蛋白酶体途径( ubiquitin-pro-teasome pathway, UPP)是细胞内蛋白质选择性降解的重要途径，泛素分子主要通过泛素活化酶、泛素结合酶和泛素-蛋白连接酶与靶蛋白结合形成一条多泛素链，将底物蛋白泛素化，使靶蛋白被26S蛋白酶体所识别和降解。UPP可高效并高选择性地降解细胞内蛋白质，尤其是一些短寿命的细胞周期调节蛋白、癌基因和抑癌基因产物以及变性变构蛋白等。

1.泛素-蛋白酶体途径（UPP）的构成

UPP成分十分复杂，主要包括泛素( ubiquitin, Ub)、泛素活化酶( ubiquitin-activatingenzyme, E1)、泛素连接酶( ubiquitin-conjugatingenzyme, E2)、泛素蛋白连接酶( ubiquitin-protein ligating enzyme, E3)、26S蛋白酶体及去泛素化酶( deubiquitinating enzyme, DUBs)等。UPP存在于所有真核生物的细胞内，是蛋白质选择性降解的主要方式。

1.1泛素( ubiquitin, Ub)

泛素是一种广泛分布在真核细胞中的高度保守的小分子球状蛋白质。1975年由Goldstein首次提出，此后不断出现有关报道[1]。单个泛素分子由76个氨基酸残基组成，相对分子质量约8.5×103，有一个明显的疏水核心和大量的氢键，表现出特殊的稳定性，能够防止其自身在结合和靶向性降解循环中变性失活，从而保证泛素循环的进行。依赖于ATP的酶促反应，E1通过在Ub的羧基末端和E1自身激活位点半胱氨酸之间形成一个硫酯键而激活Ub，激活的Ub被转到E2结合酶上，然后E2在E3作用下共价结合到需要降解的胞质或胞核的蛋白上，使底物蛋白发生泛素化，形成Ub单体，多个Ub单体通过异肽键连接形成多聚Ub链，每个多聚Ub链至少含有4个Ub单体。

1.2泛素活化酶( ubiquitin-activating enzymes, E1)

泛素活化酶是单基因编码的相对分子质量分别为110×103和117×103的2个亚基，存在于细胞核

和细胞质中，可以催化所有的泛素化反应。泛素活化酶是泛素与底物蛋白结合所需要的第一个酶，对靶蛋白的特异性没有影响。在结构上含有位置固定的保守的半胱氨酸残基，通过半胱氨酸残基与泛素的C端形成高能硫酯键而激活泛素。

1.3泛素结合酶( ubiquitin-conjugating enzymes, E2)

泛素结合酶是由许多相对分子质量为14～35的蛋白质所组成的一个超家族。所有的泛素结合酶都含有一个保守的约150个氨基酸残基的核心结构域，结构域的中央是决定其酶活性的半胱氨酸残基。E1和E3通过相同的基序与E2连接，所以E2在反应循环过程中必须在E2和E3之间穿梭往返运行。

1.4泛素-蛋白连接酶( ubiquitin-protein ligases, E3)

高等生物的泛素-蛋白连接酶总数为数百到一千以上，其结构域主要包括HECT( homologous to E6-associated protein car-boxy1 terminus)结构域、指环状( RING finger)结构域和U-box结构域。正是由于这些复杂多变的E3家族成员可以对不同底物进行特异性识别，才呈现出蛋白降解的高度选择性。泛素-蛋白连接酶在泛素化途径中起到关键的作用，它连接泛素结合酶和特异性底物，将活化的泛素链转移到特异性底物的赖氨酸残基上，通过识别多聚泛素链而有目的地降解蛋白质。

1.5蛋白酶体

26S蛋白酶体是降解泛素化底物的ATP依赖型蛋白水解复合体，由20S核心颗粒、19S调节颗粒和11S调节因子构成。

1.5.1 20S核心颗粒( core protease, CP)

CP是由4个七聚体蛋白环层叠在一起形成的空心圆柱体样结构，是26S蛋白酶体的水解核心。活性位点位于20S圆柱体空心结构中心的2个β环上，有胰蛋白酶、糜蛋白酶和谷氨酰样肽水解活性，可以将大多数肽键断裂。2个α亚基的N端封住蛋白水解腔隙的入口，对蛋白酶体CP的活性具有自身抑制作用，这样只有进入蛋白酶体圆柱体内部的蛋白才能够被水解。

1.5.2 11S调控因子( regulator, REG)

11S调控因子有3个亚单位，相对分子质量为28×103，其亚单位的氨基酸序列大部分具有同源性，但17～34残基为易变区，赋予亚单位一定的特异性。REG结合在20S CP末端，本身不具催化和降解大分子蛋白的功能，但可以激活蛋白酶体的蛋白酶活性。

1.5.3 19S调节颗粒( regulatory particle, RP)

19S调节颗粒由基底(base)和盖子(lid)2个亚单位组成，分别与CP两端的α环结合。基底含有ATP 酶亚基，可以水解ATP释放能量，在α环上形成一个通道(gate)，以便底物能够进入催化中心被催化。盖子能够识别泛素化的蛋白质和蛋白酶体的其他底物。

1.6.泛素解离酶(DUBs)

虽然泛素与细胞内快速降解的蛋白连接在一起，但是其本身却是长寿命蛋白，这是由于泛素蛋白偶连物在水解之前DUBs将泛素从底物上解离下来。DUBs能够识别最接近的泛素基序，特异性地在泛素和与其C末端最后一个残基(Gly76)相连的分子之间断开。半胱氨酸蛋白酶型DUBs根据泛素-蛋白酶结构域又可分为4个亚类：泛素特异性蛋白酶(USP)、碳末端水解酶(UCH)、卵巢肿瘤蛋白酶(OTU)和MJD蛋白酶。金属蛋白酶型DUBs的泛素-蛋白酶结构域称为JAMM ( JAB1/MPN/Mov34metalloenzyme)。半胱氨酸蛋白酶的活性信赖于活性位点中的一个半胱氨酸的硫醇基团。这个半胱氨酸在邻近组蛋白的辅助下去质子化，在一个天门冬氨酸残基的作用下产生极性，这三个氨基酸残基构成催化三联体。在催化过程中，半胱氨酸表现出亲质子作用，攻击靶蛋白与泛素之间易断裂肽键的羰基端，结果将靶蛋白释放出来，泛素与UDBs形成一个共价连接的中间体。中间体与水分子反应释放出游离的酶和泛素。

2.与靶蛋白多聚泛素链的形成

靶蛋白的泛素链最少需要四个泛素分子的长度才能够被蛋白酶体有效降解。关于靶蛋白的泛素链是如何形成的还不清楚，推测可能存在以下4种模型[2]：

2.1有序增加模型(sequential addition model)

也称为标准模型，即E3通过不同的结构域与E2和底物结合，形成E2-E3-底物复合体，E3促使与E2连接的泛素分子直接转移到底物的赖氨酸残基，然后E2-E3-底物复合体中的E2再接受来自E1分子传递的新的泛素分子，在E3的作用下将泛素分子直接转移到与底物相连的第一个泛素分子，接下来循环此过程，完成靶蛋白泛素链的组装。

2.2指数模型( indexationmodel)

是指在形成E2-E3-底物复合体后，E2上的第一个泛素分子首先与E3s的HECT结构域的半胱氨酸活化位点结合，然后依次在此位置形成一条泛素链，最后泛素链从E3上转移到底物的赖氨酸残基。

2.3秋千模型(seesawmodel)

是指E3与2个E2和底物形成复合体后，泛素链的组装发生在2个E2的活化位点上，即一个E2上的泛素分子转移到另一个E2上后，新转移过来的泛素位于最底层直接与E2连接的位置，而原来与E2直接连接的泛素则与新转移过来的泛素相连，依此从后向前的方式形成一条泛素链，最后泛素链直接从E2转移到底物上。

2.4杂和模型(hybrid model)