結構生物化學/酶調節/透過多價相互作用實現泛素的多工處理
泛素化是指用泛素對蛋白質進行的翻譯後修飾，泛素是真核生物中一種強大的調節酶。它可以標記蛋白質以進行降解或啟用基因轉錄。儘管泛素的功能非常多樣，但它在傳送細胞事件訊號方面具有高度特異性。泛素訊號通路使用多價性，即協調使用多個相互作用表面。多價相互作用調節泛素訊號通路的每個階段，並且出現在泛素訊號、泛素化底物、泛素加工酶和泛素識別蛋白中。
泛素本身是一種小的 76 個氨基酸的蛋白質，它使用共價鍵連線到其他蛋白質以發揮其調節功能。現在已知它透過離散的相互作用表面與超過 150 種蛋白質進行通訊。這些蛋白質被標記為泛素受體，它們與泛素透過泛素化一起，調節著大量細胞事件，包括蛋白質降解、蛋白質運輸、轉錄、DNA 修復、細胞週期程序和凋亡。（圖 1）。泛素訊號本身是多樣化的，通常是多價的，泛素受體和底物也是如此。
泛素有一個 C 末端甘氨酸，它在 ATP 的作用下被啟用，形成一個與底物（通常是賴氨酸的 ɛ-氨基，以及其氨基末端）的伯胺基團形成的異肽鍵。絲氨酸羥基和半胱氨酸硫醇基團也可以被泛素修飾。底物可以用單個或多個泛素連線（圖 2）。多泛素化是指泛素依次新增到底物上，形成泛素鏈。這些鏈可以是單一連線型別的，也可以是混合的或分叉的，有多個泛素連線。泛素鏈提供的多價性可以大大增強它們對結合夥伴的親和力。
泛素化是一種修飾型別，其長度和連線型別變化很大。不同的連線會導致不同的泛素鏈構象和獨特的結合表位，這可以定義下游訊號事件。當與閉合構象的泛素鏈結合時，泛素受體必須與鏈內泛素堆積相互作用競爭才能獲得結合表面。
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使用泛素作為多樣化訊號機制的支援來自三種酶類，E1 啟用酶、E2 結合酶和 E3 連線酶（圖 2），它們催化底物泛素化並定義泛素鏈連線的型別。它們的作用通常受彼此以及其他訊號分子和通路的 多價相互作用的調節。E1 泛素啟用酶以 ATP 依賴的方式對泛素進行充電，形成一個與其催化半胱氨酸形成的硫酯鍵。這種修飾誘導 E1 的結構變化，促進其與 E2 結合酶結合，將泛素傳遞給 E2 結合酶。E2 結合酶通常需要 E3 泛素連線酶才能將活化的泛素傳遞到蛋白質底物；然而，它們可以在泛素鏈連線型別中發揮決定性作用。
底物泛素化的時機通常透過 E3 的多價性效應來傳遞（圖 3）。E3 可以響應自身磷酸化狀態、底物的磷酸化狀態以及與啟用或抑制其活性的蛋白質的相互作用。透過 MDM2，腫瘤抑制蛋白 p53 的主要 E3 連線酶，它促進細胞週期停滯和凋亡，突出了使用多個相互作用來啟用或抑制底物泛素化的例子。響應 DNA 損傷，蛋白激酶 ATM（共濟失調毛細血管擴張突變）在 MDM2 的 RING 域附近的多處冗餘位點對 E3 進行磷酸化，以防止其寡聚化。MDM2 的 RING 域的寡聚化是其對 p53 進行多泛素化的必要條件，這是一個導致 p53 蛋白水解的訊號事件；因此，ATM 介導的 MDM2 磷酸化響應受損 DNA 穩定了 p53 蛋白水平。
其他 MDM2 相互作用會刺激 p53 降解，包括其在 Ser260 處的磷酸化（由極性蛋白激酶-1 介導）以及其與死亡域相關蛋白 DAXX 的相互作用。DAXX 增強 MDM2 對 p53 的內在活性，並作為支架蛋白募集去泛素化酶 HAUSP，HAUSP 透過去除 MDM2 自身泛素化形成的泛素鏈來保護 MDM2 免於降解。在細胞核中，這些作用受到腫瘤抑制蛋白 RASSF1A（Ras 結合域家族蛋白 1A）的抵消，RASSF1A 與 MDM2 和 DAXX 結合，但會置換 HAUSP，從而使 MDM2 不穩定。MDM2 例子突出了使用多層相互作用來調節 E3 對特定底物的活性，以響應不同的細胞事件。值得注意的是，底物蛋白的磷酸化也可以促進 E3 募集或置換。
泛素鏈的可變長度和連線型別為泛素化的結果提供了選擇性，因為一些泛素受體對特定連線型別或大小的泛素鏈具有強烈的偏好。受體對不同連線型別的泛素鏈的特異性將泛素加工酶的活性與下游訊號事件聯絡起來。迄今為止，已經在超過 150 種人類受體蛋白中發現了 20 多種不同的泛素結合域 (UBD) 家族。它們用於實現對特定泛素修飾選擇性的機制已得到全面綜述。
多個泛素結合域 (UBD) 與泛素鏈的結合提供了一種普遍機制，可以增強泛素受體對泛素化底物的結合親和力（圖 3）。在人類中，蛋白酶體組分 S5a 具有兩個 UIM，它們由柔性連線區隔開，導致它們的相對取向無法確定。當 S5a 結合 Lys48 連線的二泛素時，這種柔性會明顯受限，因為每個 UIM 會同時結合同一個分子的一個泛素部分。這種協同結合的結果是 S5a 和二泛素之間的親和力顯著增強，這表明它的兩個 UIM 不是用於同時招募多個底物到蛋白酶體，而是用於增強對每個泛素化底物的親和力。值得注意的是，S5a 和 hHR23a 可以結合一個共同的泛素鏈，S5a 和 Rpn13（蛋白酶體的另一個內在泛素受體）也是如此。這些相互作用的生物學意義尚不清楚；然而，多個泛素受體與泛素化底物的複合物提供了額外的多價性水平，這很可能導致更高的結合親和力。這種複合物似乎還在內吞過程中起作用，以增強結合親和力。雖然單泛素化足以在內吞過程中使受體內化，但定量質譜表明，超過一半的泛素化表皮生長因子受體 (EGFR) 與泛素聚合物 (主要由 Lys63 連線) 結合。最有可能的是，透過聚合物泛素鏈進行修飾可以使內吞銜接蛋白的 UIM 產生更多相互作用，進而與單泛素亞基相比，可以產生更高的親和力相互作用。
涉及泛素鏈和多個泛素受體的多價相互作用也可以傳遞訊號，如 NF-κB 通路中的激酶啟用機制所示。
泛素受體的多價相互作用會影響泛素化底物的命運
泛素受體的多價相互作用會影響泛素化底物的命運泛素受體中不與泛素結合的表面在泛素化底物的運輸和加工中起著關鍵作用（圖 3）。與蛋白酶體降解相關的泛素受體具有將它們對接到蛋白酶體或使它們能夠與蛋白酶體的組分短暫相互作用的區域。其中一個受體 Rpn13 的 UBD 透過與其泛素結合區域相對的表面組裝到蛋白酶體中，並且該蛋白包含另一個結合並激活 Uch37 的結構域，Uch37 是蛋白酶體中三個 DUB 之一。在被蛋白酶體降解之前，底物被去泛素化並展開，以便透過狹窄的腔室進入蛋白酶體的催化中心。Rpn13 可能透過與泛素化底物和 Uch37 的多價相互作用，在蛋白酶體底物的捕獲和去泛素化中發揮雙重功能。
多價泛素依賴性相互作用與泛素非依賴性相互作用的整合被廣泛用於內吞運輸，以將蛋白質從質膜定向到多囊泡體 (MVB)（圖 1）。
泛素結合區域與共價連線的泛素之間的分子內相互作用會抑制泛素受體活性
泛素結合區域與共價連線的泛素之間的分子內相互作用會抑制泛素受體活性泛素受體可以與泛素結合，而泛素又會結合到它們的 UBD（圖 3）。這種分子內相互作用會抑制與泛素化底物的分子間相互作用。這種調節模式存在於內吞途徑中。HGS、EPS15 和 epsin 經歷耦合的單泛素化，因此它們的 UBD 透過結合泛素化的 E3 或具有泛素樣結構域的 E3 來介導它們自身的泛素化。這種修飾導致與連線的泛素的順式相互作用，這會抑制與泛素化靶標的反式相互作用。這種所謂的耦合單泛素化在內吞作用中的作用仍不清楚。它有可能削弱與貨物之間的相互作用，從而使底物能夠輕鬆透過。DUB UBPY（泛素特異性蛋白酶 Y）可以透過從受體上移除連線的泛素來緩解這種自抑制，從而啟用它們朝向新的底物。
底物調節它們泛素化的影響
底物調節它們泛素化的影響儘管泛素化底物的命運很大程度上取決於它與泛素受體的相互作用，但一些底物特徵可以調節泛素化的影響，即使它們在被指定功能的受體識別後也是如此。例如，與蛋白酶體的相互作用通常會導致泛素化底物的降解；這種機制途徑是控制蛋白質壽命的有效方法。然而，這種降解似乎需要底物包含或與包含無結構區域的蛋白質“複合”，並且沒有泛素化的蛋白質可以透過與那些泛素化的蛋白質結合來被蛋白水解，只要它們包含無結構區域。相反，泛素化蛋白質中摺疊的結構域似乎可以保護底物免於降解。
泛素化可以透過為現有的相互作用新增多價性來改變結合親和力
泛素化可以透過為現有的相互作用新增多價性來改變結合親和力在細胞核中，泛素化被廣泛用於透過新增多價性來改變現有相互作用的親和力（圖 3）。例如，PCNA 環繞 DNA，作為 DNA 複製過程中 DNA 聚合酶的“滑動夾”。當遇到受損位點時，複製會停滯，PCNA 在 Lys164 處發生單泛素化（圖 1）。這種修飾被跨損傷聚合酶的 UBD 識別，從而增加它們對 PCNA 的親和力，並促進它們的錯誤易發跨損傷合成模式的複製 [86,87]。在繞過病變後，無錯誤的，可處理的聚合酶接管。這種轉變可能是由於 PCNA 去泛素化，因為當 PCNA 在 Lys164 處發生單泛素化時，返回可處理的聚合酶的交換是被禁止的。
蛋白質泛素化也被用來改變核苷酸切除修復 (NER) 因子色素性幹皮症 C 組 (XPC) 的 DNA 結合親和力。泛素化也被用來削弱底物與其結合夥伴之間的相互作用。組蛋白 H3 和 H4 在響應紫外線誘導的 DNA 損傷而發生泛素化，透過削弱組蛋白-DNA 相互作用，促進 NER 機械到受損位點的募集。
結論：未來的潛力
結論：未來的潛力泛素介導的訊號傳導由大量的酶控制，這些酶控制著修飾的時間，在泛素訊號本身中創造多樣性，並能夠在整個訊號通路中或響應新的刺激來動態改變修飾。這些酶透過泛素與下游受體進行溝通，這些受體在更大的環境中執行，以實現訊號傳導的特異性。多價性使泛素訊號通路中的多功能性和特異性變得一致。泛素結合區域通常只是受體中許多功能表面之一，這些表面可以促進結合相互作用，亞細胞定位或將泛素訊號傳導與其他翻譯後修飾（如磷酸化）聯絡起來。泛素屬於泛素樣蛋白家族，在結構上類似於泛素，並執行它們自己獨特的訊號傳導，這些訊號傳導可以與泛素訊號傳導發生串擾。泛素訊號網路具有治療意義，因為它的部分被病原體劫持或在人類疾病中受損。因此，它很可能具有尚未開發的治療潛力，並且正在積極尋求操縱泛素介導的蛋白質降解以用於此類目的。目前，蛋白酶體抑制劑硼替佐米被用於治療多發性骨髓瘤和套細胞淋巴瘤；這種抑制劑優先誘導腫瘤細胞凋亡。它在腫瘤細胞中更強的細胞毒性的潛在機制很複雜，從特定促凋亡蛋白（如 NOXA（NADPH 氧化酶活化劑 1））的積累到透過內質網 (ER) 應激反應啟用凋亡。也許並不奇怪，靶向蛋白酶體的藥物存在不必要的副作用，因為許多生理上重要的過程受到蛋白酶體蛋白水解的調節。靶向特定的 E3、DUB 或泛素受體可能會在副作用更少的情況下提供臨床療效。可以預見，調節 E3 和泛素受體活性的多價相互作用最終可以用於靶向泛素訊號，以特異性地限制病毒出芽，穩定腫瘤抑制因子或促進 DNA 修復。[1]