结构生物化学/酶调节/通过多价相互作用实现泛素的多任务处理
泛素化是指用泛素对蛋白质进行的翻译后修饰，泛素是真核生物中一种强大的调节酶。它可以标记蛋白质以进行降解或激活基因转录。尽管泛素的功能非常多样，但它在发送细胞事件信号方面具有高度特异性。泛素信号通路使用多价性，即协调使用多个相互作用表面。多价相互作用调节泛素信号通路的每个阶段，并且出现在泛素信号、泛素化底物、泛素加工酶和泛素识别蛋白中。
泛素本身是一种小的 76 个氨基酸的蛋白质，它使用共价键连接到其他蛋白质以发挥其调节功能。现在已知它通过离散的相互作用表面与超过 150 种蛋白质进行通信。这些蛋白质被标记为泛素受体，它们与泛素通过泛素化一起，调节着大量细胞事件，包括蛋白质降解、蛋白质运输、转录、DNA 修复、细胞周期进程和凋亡。（图 1）。泛素信号本身是多样化的，通常是多价的，泛素受体和底物也是如此。
泛素有一个 C 末端甘氨酸，它在 ATP 的作用下被激活，形成一个与底物（通常是赖氨酸的 ɛ-氨基，以及其氨基末端）的伯胺基团形成的异肽键。丝氨酸羟基和半胱氨酸硫醇基团也可以被泛素修饰。底物可以用单个或多个泛素连接（图 2）。多泛素化是指泛素依次添加到底物上，形成泛素链。这些链可以是单一连接类型的，也可以是混合的或分叉的，有多个泛素连接。泛素链提供的多价性可以大大增强它们对结合伙伴的亲和力。
泛素化是一种修饰类型，其长度和连接类型变化很大。不同的连接会导致不同的泛素链构象和独特的结合表位，这可以定义下游信号事件。当与闭合构象的泛素链结合时，泛素受体必须与链内泛素堆积相互作用竞争才能获得结合表面。
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使用泛素作为多样化信号机制的支持来自三种酶类，E1 激活酶、E2 结合酶和 E3 连接酶（图 2），它们催化底物泛素化并定义泛素链连接的类型。它们的作用通常受彼此以及其他信号分子和通路的 多价相互作用的调节。E1 泛素激活酶以 ATP 依赖的方式对泛素进行充电，形成一个与其催化半胱氨酸形成的硫酯键。这种修饰诱导 E1 的结构变化，促进其与 E2 结合酶结合，将泛素传递给 E2 结合酶。E2 结合酶通常需要 E3 泛素连接酶才能将活化的泛素传递到蛋白质底物；然而，它们可以在泛素链连接类型中发挥决定性作用。
底物泛素化的时机通常通过 E3 的多价性效应来传递（图 3）。E3 可以响应自身磷酸化状态、底物的磷酸化状态以及与激活或抑制其活性的蛋白质的相互作用。通过 MDM2，肿瘤抑制蛋白 p53 的主要 E3 连接酶，它促进细胞周期停滞和凋亡，突出了使用多个相互作用来激活或抑制底物泛素化的例子。响应 DNA 损伤，蛋白激酶 ATM（共济失调毛细血管扩张突变）在 MDM2 的 RING 域附近的多处冗余位点对 E3 进行磷酸化，以防止其寡聚化。MDM2 的 RING 域的寡聚化是其对 p53 进行多泛素化的必要条件，这是一个导致 p53 蛋白水解的信号事件；因此，ATM 介导的 MDM2 磷酸化响应受损 DNA 稳定了 p53 蛋白水平。
其他 MDM2 相互作用会刺激 p53 降解，包括其在 Ser260 处的磷酸化（由极性蛋白激酶-1 介导）以及其与死亡域相关蛋白 DAXX 的相互作用。DAXX 增强 MDM2 对 p53 的内在活性，并作为支架蛋白募集去泛素化酶 HAUSP，HAUSP 通过去除 MDM2 自身泛素化形成的泛素链来保护 MDM2 免于降解。在细胞核中，这些作用受到肿瘤抑制蛋白 RASSF1A（Ras 结合域家族蛋白 1A）的抵消，RASSF1A 与 MDM2 和 DAXX 结合，但会置换 HAUSP，从而使 MDM2 不稳定。MDM2 例子突出了使用多层相互作用来调节 E3 对特定底物的活性，以响应不同的细胞事件。值得注意的是，底物蛋白的磷酸化也可以促进 E3 募集或置换。
泛素链的可变长度和连接类型为泛素化的结果提供了选择性，因为一些泛素受体对特定连接类型或大小的泛素链具有强烈的偏好。受体对不同连接类型的泛素链的特异性将泛素加工酶的活性与下游信号事件联系起来。迄今为止，已经在超过 150 种人类受体蛋白中发现了 20 多种不同的泛素结合域 (UBD) 家族。它们用于实现对特定泛素修饰选择性的机制已得到全面综述。
多个泛素结合域 (UBD) 与泛素链的结合提供了一种普遍机制，可以增强泛素受体对泛素化底物的结合亲和力（图 3）。在人类中，蛋白酶体组分 S5a 具有两个 UIM，它们由柔性连接区隔开，导致它们的相对取向无法确定。当 S5a 结合 Lys48 连接的二泛素时，这种柔性会明显受限，因为每个 UIM 会同时结合同一个分子的一个泛素部分。这种协同结合的结果是 S5a 和二泛素之间的亲和力显着增强，这表明它的两个 UIM 不是用于同时招募多个底物到蛋白酶体，而是用于增强对每个泛素化底物的亲和力。值得注意的是，S5a 和 hHR23a 可以结合一个共同的泛素链，S5a 和 Rpn13（蛋白酶体的另一个内在泛素受体）也是如此。这些相互作用的生物学意义尚不清楚；然而，多个泛素受体与泛素化底物的复合物提供了额外的多价性水平，这很可能导致更高的结合亲和力。这种复合物似乎还在内吞过程中起作用，以增强结合亲和力。虽然单泛素化足以在内吞过程中使受体内化，但定量质谱表明，超过一半的泛素化表皮生长因子受体 (EGFR) 与泛素聚合物 (主要由 Lys63 连接) 结合。最有可能的是，通过聚合物泛素链进行修饰可以使内吞衔接蛋白的 UIM 产生更多相互作用，进而与单泛素亚基相比，可以产生更高的亲和力相互作用。
涉及泛素链和多个泛素受体的多价相互作用也可以传递信号，如 NF-κB 通路中的激酶激活机制所示。
泛素受体的多价相互作用会影响泛素化底物的命运
泛素受体的多价相互作用会影响泛素化底物的命运泛素受体中不与泛素结合的表面在泛素化底物的运输和加工中起着关键作用（图 3）。与蛋白酶体降解相关的泛素受体具有将它们对接到蛋白酶体或使它们能够与蛋白酶体的组分短暂相互作用的区域。其中一个受体 Rpn13 的 UBD 通过与其泛素结合区域相对的表面组装到蛋白酶体中，并且该蛋白包含另一个结合并激活 Uch37 的结构域，Uch37 是蛋白酶体中三个 DUB 之一。在被蛋白酶体降解之前，底物被去泛素化并展开，以便通过狭窄的腔室进入蛋白酶体的催化中心。Rpn13 可能通过与泛素化底物和 Uch37 的多价相互作用，在蛋白酶体底物的捕获和去泛素化中发挥双重功能。
多价泛素依赖性相互作用与泛素非依赖性相互作用的整合被广泛用于内吞运输，以将蛋白质从质膜定向到多囊泡体 (MVB)（图 1）。
泛素结合区域与共价连接的泛素之间的分子内相互作用会抑制泛素受体活性
泛素结合区域与共价连接的泛素之间的分子内相互作用会抑制泛素受体活性泛素受体可以与泛素结合，而泛素又会结合到它们的 UBD（图 3）。这种分子内相互作用会抑制与泛素化底物的分子间相互作用。这种调节模式存在于内吞途径中。HGS、EPS15 和 epsin 经历耦合的单泛素化，因此它们的 UBD 通过结合泛素化的 E3 或具有泛素样结构域的 E3 来介导它们自身的泛素化。这种修饰导致与连接的泛素的顺式相互作用，这会抑制与泛素化靶标的反式相互作用。这种所谓的耦合单泛素化在内吞作用中的作用仍不清楚。它有可能削弱与货物之间的相互作用，从而使底物能够轻松通过。DUB UBPY（泛素特异性蛋白酶 Y）可以通过从受体上移除连接的泛素来缓解这种自抑制，从而激活它们朝向新的底物。
底物调节它们泛素化的影响
底物调节它们泛素化的影响尽管泛素化底物的命运很大程度上取决于它与泛素受体的相互作用，但一些底物特征可以调节泛素化的影响，即使它们在被指定功能的受体识别后也是如此。例如，与蛋白酶体的相互作用通常会导致泛素化底物的降解；这种机制途径是控制蛋白质寿命的有效方法。然而，这种降解似乎需要底物包含或与包含无结构区域的蛋白质“复合”，并且没有泛素化的蛋白质可以通过与那些泛素化的蛋白质结合来被蛋白水解，只要它们包含无结构区域。相反，泛素化蛋白质中折叠的结构域似乎可以保护底物免于降解。
泛素化可以通过为现有的相互作用添加多价性来改变结合亲和力
泛素化可以通过为现有的相互作用添加多价性来改变结合亲和力在细胞核中，泛素化被广泛用于通过添加多价性来改变现有相互作用的亲和力（图 3）。例如，PCNA 环绕 DNA，作为 DNA 复制过程中 DNA 聚合酶的“滑动夹”。当遇到受损位点时，复制会停滞，PCNA 在 Lys164 处发生单泛素化（图 1）。这种修饰被跨损伤聚合酶的 UBD 识别，从而增加它们对 PCNA 的亲和力，并促进它们的错误易发跨损伤合成模式的复制 [86,87]。在绕过病变后，无错误的，可处理的聚合酶接管。这种转变可能是由于 PCNA 去泛素化，因为当 PCNA 在 Lys164 处发生单泛素化时，返回可处理的聚合酶的交换是被禁止的。
蛋白质泛素化也被用来改变核苷酸切除修复 (NER) 因子色素性干皮症 C 组 (XPC) 的 DNA 结合亲和力。泛素化也被用来削弱底物与其结合伙伴之间的相互作用。组蛋白 H3 和 H4 在响应紫外线诱导的 DNA 损伤而发生泛素化，通过削弱组蛋白-DNA 相互作用，促进 NER 机械到受损位点的募集。
结论：未来的潜力
结论：未来的潜力泛素介导的信号传导由大量的酶控制，这些酶控制着修饰的时间，在泛素信号本身中创造多样性，并能够在整个信号通路中或响应新的刺激来动态改变修饰。这些酶通过泛素与下游受体进行沟通，这些受体在更大的环境中运行，以实现信号传导的特异性。多价性使泛素信号通路中的多功能性和特异性变得一致。泛素结合区域通常只是受体中许多功能表面之一，这些表面可以促进结合相互作用，亚细胞定位或将泛素信号传导与其他翻译后修饰（如磷酸化）联系起来。泛素属于泛素样蛋白家族，在结构上类似于泛素，并执行它们自己独特的信号传导，这些信号传导可以与泛素信号传导发生串扰。泛素信号网络具有治疗意义，因为它的部分被病原体劫持或在人类疾病中受损。因此，它很可能具有尚未开发的治疗潜力，并且正在积极寻求操纵泛素介导的蛋白质降解以用于此类目的。目前，蛋白酶体抑制剂硼替佐米被用于治疗多发性骨髓瘤和套细胞淋巴瘤；这种抑制剂优先诱导肿瘤细胞凋亡。它在肿瘤细胞中更强的细胞毒性的潜在机制很复杂，从特定促凋亡蛋白（如 NOXA（NADPH 氧化酶活化剂 1））的积累到通过内质网 (ER) 应激反应激活凋亡。也许并不奇怪，靶向蛋白酶体的药物存在不必要的副作用，因为许多生理上重要的过程受到蛋白酶体蛋白水解的调节。靶向特定的 E3、DUB 或泛素受体可能会在副作用更少的情况下提供临床疗效。可以预见，调节 E3 和泛素受体活性的多价相互作用最终可以用于靶向泛素信号，以特异性地限制病毒出芽，稳定肿瘤抑制因子或促进 DNA 修复。[1]