蛋白質(zhì)泛素化修飾與腫瘤的研究進展

陳子琦

(揚州大學附屬中學 江蘇揚州 225001)

一、泛素化修飾的基本過程

泛素是一個含有76個氨基酸的小蛋白，泛素化通常發(fā)生在蛋白的賴氨酸(Lysine，K)殘基上[1]。根據(jù)泛素化在目的蛋白上修飾位置以及泛素分子數(shù)目的不同，蛋白質(zhì)泛素化修飾可以分為三類：單泛素化、多位點單泛素化和聚泛素化[1]。單泛素化和多位點單泛素化是指在蛋白一個或多個賴氨酸殘基位點進行的單個泛素分子的修飾，主要參與胞吞作用、DNA修復、蛋白定位和運輸過程。泛素本身含有7個賴氨酸。聚泛素化是指在蛋白賴氨酸殘基上形成的多個泛素分子組成的鏈狀修飾。蛋白經(jīng)聚泛素化修飾后參與不同的生物學過程。其中，K48和K11位的泛素化鏈與蛋白酶體降解相關。

泛素化過程需要泛素活化酶E1、泛素結合酶E2和泛素連接酶E3的參與。

（一）泛素活化酶E1

研究表明，泛素活化酶有UBA1和UBA6兩種，其功能有交叉，同時又相對獨立：部分泛素結合酶，如UBE2D1-4/Ubch5a-d，既可通過UBA1也可通過UBA6接收泛素，而UBE2Z/USE1則是UBA6的特異性泛素結合酶[2]。 泛素經(jīng)E1活化后，傳遞給E2（圖1a）。

（二）泛素結合酶E2

泛素結合酶E2與活化的泛素結合后，會將泛素分子傳遞給泛素連接酶E3（圖1b）或者直接對目的蛋白進行泛素化修飾（圖1c）。目前人類基因組中已發(fā)現(xiàn)約50個編碼泛素結合酶的基因[1]。

圖1 泛素化修飾過程示意圖。Ub代表泛素分子，Sub代表底物蛋白

（三）泛素連接酶E3

泛素連接酶能夠特異性識別底物，人體細胞中約有600多個泛素連接酶。E3通常被分為兩類：含有HECT結構的E3發(fā)揮活性需要通過半胱氨酸殘基與泛素結合形成硫酯鍵再將泛素傳遞至底物；含有RING結構的E3作為支架蛋白，泛素分子被從E2轉(zhuǎn)移到底物上[2]。

（四）蛋白酶體復合物

經(jīng)48位賴氨酸聚泛素化鏈修飾的底物會被26S蛋白酶體降解。26S蛋白酶體是一種多亞基蛋白酶，由催化核心20S蛋白酶體和19S調(diào)節(jié)亞基組成（圖2）。20S催化核心類似于桶狀結構，由4個七聚體環(huán)組成。外側為2個相同的無催化作用的α環(huán)，中間為兩個相同的有催化作用的β環(huán)[3]。19S調(diào)節(jié)亞基為類似于蓋子和底座的結構。

圖2 26S蛋白酶體示意圖

（五）去泛素化酶

為維持穩(wěn)態(tài)，生物體內(nèi)還存在與泛素化相對應的過程，即去泛素化，相應的酶被稱為去泛素化酶。

二、異常的泛素化在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用

泛素化作為一種蛋白質(zhì)翻譯后修飾，在細胞周期、細胞凋亡等多個胞內(nèi)反應中發(fā)揮作用。泛素化的異常會改變胞內(nèi)生理活動的正常調(diào)節(jié)，從而可能導致癌癥的發(fā)生。

（一）泛素連接酶E3在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用

通過泛素-蛋白酶體途徑降解蛋白質(zhì)是泛素化的重要功能之一。在不同的腫瘤中常常可以檢測到泛素-蛋白酶體系統(tǒng)中關鍵的蛋白酶E3的突變或者表達的下調(diào)。例如，p53作為腫瘤抑制子，在正常細胞中參與細胞周期的表達和調(diào)控，以及DNA損傷修復等過程。在癌細胞中，p53會被E3酶MDM2泛素化從而被降解。MDM2在癌細胞中的過表達與p53的表達水平呈負相關，從而導致了癌癥患者低的存活率和較差的預后。癌癥和腫瘤基因圖譜（Cancer Genome Atlas，TCGA）數(shù)據(jù)庫揭示MDM基因的異常在一些腫瘤（如乳腺癌、腦癌）中，主要表現(xiàn)為突變和倍增[1]。最近有研究顯示，在腫瘤細胞中，另一個E3酶RING也可以靶向p53使其降解[1]。臨床結果也顯示，RING1在腫瘤細胞表達中的上調(diào)與較差的預后相關[1]。

SCFSKP2是一種由F-box蛋白SKP2、CUL1、SKP1、RBX1組成的E3復合物，它在一些腫瘤中通過過量表達來調(diào)節(jié)關鍵的細胞周期抑制蛋白，如p27KIP1。SKP2的上調(diào)通過泛素化細胞周期蛋白抑制蛋白p27KIP1、p57、p130及FOXO1起著癌基因的作用。TCGA數(shù)據(jù)庫分析顯示，SKP2的突變和倍增存在于不同類型的癌癥中，包括宮頸癌、子宮內(nèi)膜癌、腎上腺皮質(zhì)癌、卵巢癌、乳腺癌和非小細胞肺癌[1]。

pVHL是VCB-Cul2-VHL泛素連接酶復合物中的一部分，該復合物介導了HIF-1α的泛素化。當HIF-1α的脯氨酸被羥基化時，pVHL就會被泛素化并通過蛋白酶體降解。研究表明，VHL在視網(wǎng)膜癌、腦癌、胰腺癌和宮頸癌中深度缺失[1]，這些突變導致了VHL在不同腫瘤中的低表達，因此，HIF-1α不再會被泛素化，從而不會被蛋白酶體降解，最終導致了快速化的血管形成及腫瘤增殖。

（二）泛素結合酶E2在腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中的作用

泛素結合酶E2在腫瘤的發(fā)生發(fā)展中也起著非常重要的作用。例如，泛素結合酶E2 L3 (UBE2L3) 在非小細胞肺癌組織中的過表達與癌癥交叉的預后相關。研究顯示，UBE2L3與Skp2相互作用，促進了p27kip1的降解[1]。UBE2L3的缺失可以抑制非小細胞肺癌的進程，因此，UBE2L3被認為是一個新的預后診斷指標和一個潛在的治療靶點。

（三）去泛素化酶在腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中的作用

有研究顯示，在骨肉瘤中，去泛素化酶UPS1和DUB3通過去泛素化DNA結合蛋白來保持間充質(zhì)干細胞的特性。UPS1和DUB3也可以通過穩(wěn)定CDC25來激活細胞周期增殖。USP1在范克尼白血病中去反泛素化DNA修復蛋白FANCD2及PCNA。USP4增強了癌基因轉(zhuǎn)化生長因子TGF-β信號，并且在浸潤性乳腺癌中過表達。UPS7主要調(diào)節(jié)抑癌基因p53和PTEN的定位和結構。UPS7對PTEN的去泛素化使得PTEN被排除到細胞核外從而不能起作用。USP7通常在前列腺癌、非小細胞肺癌及急性早幼粒細胞白血病中過表達。

三、以泛素化過程中的組分為靶點的腫瘤藥物研究進展

（一）靶向E1的藥物

研究結果顯示，MLN7243和MLN4924可以作為UBA1和NAE1的抑制劑[4]。缺點在于，與靶向E2、E3相比，靶向E1的藥物缺乏特異性。

（二）靶向E2的藥物

LeucettamolA是一種從海洋生物中提取的藥物，它可以抑制Ubc13-Uev1A的相互作用，

從而阻止E1和E2的相互作用。CC0651可以阻止E2 酶Cdc34的合成，導致抑癌基因p27的積累。目前，這兩種藥都仍處于科研階段。

（三）靶向E3的藥物

1.薩利多胺及其衍生物

薩利多胺可以靶向CRBN，調(diào)節(jié)其特異性接受底物，增強泛素化和底物的降解。目前，薩利多胺及其衍生物都被FDA批準，并應用于臨床治療[4]。

2.靶向MDM2/p53相互作用的藥物

p53是一種腫瘤抑制因子，對細胞周期終止和細胞的凋亡中起重要作用。在E3酶中MDM2及與其功能相似的MDMX對p53的降解作用十分重要。因此，藥物會選擇靶向MDM2、MDMX，抑制其降解p53，從而達到抑制腫瘤發(fā)生的效果。然而，例如Nutlin-3a等抑制劑在作用時往往只對一種E3起作用，從而影響藥物的效果[4]。為了解決這一問題，科學家研制可以同時抑制MDM2和MDMX的藥物NSC207895[4]。

3.靶向F-box支架蛋白的藥物

RING家族中的SCF(Skp1/cullin/F-box)占E3連接酶中的大部分，這種酶對調(diào)節(jié)細胞周期、基因轉(zhuǎn)錄、DNA復制起重要作用。其中F-box蛋白決定了SCF的特異性，因此，科研人員傾向于以此為靶點研制藥物。靶向Cdc4這一F-box蛋白的SCF-12就是其中之一，但該藥目前仍處于實驗室階段[4]。

4.靶向蛋白酶體的藥物

26S蛋白酶體的20S催化核心是蛋白酶體抑制劑的重要研究靶點。現(xiàn)已有Bortezomib和Carfilzomib被美國FDA獲批，并應用于臨床治療[4]。新一代的蛋白酶體抑制劑具有獲得更好的治療比例以及減少固有的或者獲得的對藥物抗性的潛力。

5.靶向去泛素化酶的藥物

細胞需要維持蛋白質(zhì)的穩(wěn)態(tài)，因此，與泛素化相反的過程去泛素化也必不可少。去泛素化由去泛素化酶（UDB）調(diào)節(jié)，泛素特異性蛋白酶（USPs）就是去泛素化酶中的一種。其中USP14與胃腸癌以及肺癌的死亡率呈正相關。仍處于實驗室階段的藥物IU1能夠提高蛋白酶體的作用效率，加速了被氧化蛋白的降解，并且提供了對氧化應激的抗性[4]。

四、展望

通過研究腫瘤中異常的泛素化修飾，有助于尋找恰當?shù)姆核鼗^程中組分作為腫瘤治療的靶點，進而進行靶向藥物的研制。另外，促進原癌基因表達生成的蛋白質(zhì)的降解是蛋白質(zhì)泛素化應用于腫瘤治療的一個有效途徑。例如，通過在靶蛋白上連接易被E3識別的異常蛋白，或是通過一些接頭蛋白將靶蛋白強行與E3結合，從而促使其被泛素化降解。