泛素化修饰，一条多功能信号链

　　近日，美国哈佛医学院Tom A. Rapoport小组揭示了Hrd1泛素连接酶复合物介导内质网(ER)相关蛋白降解的结构基础。相关论文于2020年4月24日发表在《science》杂志上。

　　研究人员通过两个亚复合物的冷冻电镜分析解析了活性Hrd1复合物的结构。Hrd3和Yos9共同构成了一个可识别糖基化底物的腔结合位点。Hrd1和类菱形Der1蛋白形成两个“半通道”，分别具有胞质腔和内腔，并且在薄膜区域侧向通道门中彼此相对。这些结构以及交联和分子动力学模拟共同证明了ER相关降解(ERAD-L)底物的多肽环是如何移动穿过ER膜的。

　　Hrd1复合物的结构

　　据介绍，错误折叠的内质网腔蛋白由ERAD-L途径降解，它们被逆向转运到细胞质中，多泛素化后被蛋白酶体降解。ERAD-L是由Hrd1复合体(由Hrd1、Hrd3、Der1、Usa1和Yos9组成)介导的，但其逆转座机制仍然是未知的。

　　原文链接 DOI: 10.1126/science.aaz2449

　　泛素化修饰(ubiquitination) 作为主要的蛋白质翻译后修饰之一，介导了真核细胞内蛋白质特异性降解，参与并调控了细胞周期、应激反应、信号传递和 DNA 损伤修复等几乎所有的生命活动。

　　泛素-蛋白酶体系统(UPS) 与底物之间的精确调控构成了复杂而稳定的泛素化信号网络，系统包括：泛素;E1/E2/E3;去泛素化酶(DUB);信号传递蛋白(UBD)和 26S 蛋白酶体等五大部分组成。

　　1泛素

　　泛素(ubiquitin，Ub)，是一种含76个氨基酸、序列高度保守且广泛存在于真核生物的小分子蛋白。

　　泛素分子表面形成的几个疏水表面对其发挥生物学功能是必须的。其中最主要的是以Ile44 为活性中心、与 Leu8、His68以及 Val70组成的疏水口袋，介导了与蛋白酶体和大多数泛素结合结构域(UBD)的结合，且这些保守序列是泛素信号的传递、蛋白酶体降解功能的发挥不可或缺的。另外一个结合区域以Ile36为中心、加上Leu8、Leu7和Leu73形成的疏水表面，介导了与HECT类泛素连接酶、去泛素化酶和部分泛素结合结构域的识别。而由Lys6、Lys11、Thr12、Thr14和 Glu34组成的TEK-box促进了K11泛素链的形成，并参与细胞周期调控。

　　泛素蛋白空间结构与功能位点

　　2泛素链信号的合成

　　泛素链作为介导相关生物学功能的信号，由多级酶促反应组装而成。该过程需要三种酶：泛素激活酶(E1)，泛素结合酶(E2)以及泛素连接酶(E3)。它们通过有序地级联反应完成各种不同泛素链的组装过程。

　　A)泛素修饰级联反应过程

　　E1活化泛素，消耗ATP，泛素与E1生成高能硫酯键;泛素从E1转移到E2上;在E3作用下泛素修饰到底物上。

　　B)RING和HECT两类E3连接酶连接泛素的方式比较

　　1.泛素从E2上直接连接到底物蛋白，主要由RING类E3负责;

　　2.泛素先从E2转移到E3上，然后再从E3连接到底物蛋白，主要由 HECT类E3 负责。

　　3去泛素化酶

　　细胞内泛素化修饰是可逆过程，主要由大量的去泛素化酶(DUB)负责可逆过程。去泛素化酶参与泛素化修饰编辑、调控的各个环节。根据催化核心的类别，主要包含半胱氨酸类蛋白酶和金属蛋白酶2大类。

　　去泛素化酶参与泛素化修饰的过程

　　细胞内的去泛素化酶各司其职、互相配合，共同维护细胞内泛素化水平的稳态。其功能既有独特性，又有互补性。去泛素化酶参与泛素化修饰编辑、调控的各个环节，包括①成熟泛素的生成;②回收错误连接到底物的泛素;③编辑、平衡待降解的泛素化底物;④拆卸游离的泛素链，重新利用泛素。

　　4泛素链信号的传递

　　泛素信号形成后，需要通过泛素识别蛋白(Ub receptor)传递信号，发挥相应的生物学功能。这些蛋白主要是通过蛋白内的泛素结合结构域(UBD)识别泛素信号的。其中，细胞内含有多种类型的泛素结合结构域，如 UBA，UIM，ZNF 等多达20几种。

　　526S 蛋白酶体

　　蛋白酶体是 UPS 的核心组成部分,负责识别并降解带有 K48 泛素链标记的蛋白质底物，对于维持细胞功能至关重要。蛋白酶体是目前已知结构最为复杂、功能最为清楚的复合体，至少由 33 个亚基构成。在所有真核生物中蛋白酶体结构上具有进化保守性。

　　按照功能模块区分，蛋白酶体可以分为 19S 调节亚基(RP)和 20S 催化亚基(CP)。其中，调节亚基负责识别待降解底物蛋白;催化亚基负责水解蛋白，其催化位点位于桶状内部，防止在细胞内发生非特异性降解作用。