泛素-蛋白酶体通路是细胞内一种具有特异性、耗能、高效的蛋白质降解过程，是基因和蛋白质功能的主要调节者和终结者。泛素-蛋白酶体通路的基础性研究成果阐释了生命活动的基本规律, 其相关的病理学研究为新药研究开发提供了潜在的重要的药物靶标。本文旨在从泛素-蛋白酶体通路基本概念、该通路异常与疾病发生、药物研发3个方面进行阐述。
1 泛素-蛋白酶体通路
泛素-蛋白酶体通路掌控着机体生长、发育、生殖、衰老等重大生命过程，调控细胞周期、细胞分化、凋亡、DNA复制和修复、转录以及蛋白质质量监控等细胞活动，并参与病原体的入侵、致病和免疫应答等过程。该通路由底物蛋白质泛素化和底物通过蛋白酶体降解2个过程组成。泛素是一条由76个氨基酸组成的高度保守的多肽链。泛素通常以2种形式存在，其一是游离形式，另一种形式是与受体蛋白共价结合。泛素通过其C端与受体蛋白赖氨酸侧链的ε-氨基或受体蛋白N端的α-氨基共价结合的过程称为泛素化。泛素化是一个主要由泛素激活酶E1(ubiquitin-activating enzyme)，泛素聚合酶(亦称泛素载体蛋白)(ubiquitin-carrier protein) E2和泛素连接酶E3(ubiquitin-protein ligase)等介导的多酶级联反应。泛素激活酶E1在进化中很保
守，是一种ATP依赖的酶，通过与泛素的C端形成高能硫酯键而激活泛素。与E1不同，细胞内存在多种E2。E2与活化的泛素结合形成E2-泛素复合体，E2协助特异性E3将活化的泛素转移到底物。泛素连接酶E3是泛素化反应系统中数量最大、结构最多样、调控机制最为复杂的成员，它可以直接与底物或通过辅助蛋白与底物相互作用，从而决定泛素介导底物蛋白质降解的选择性(见图1)。哺乳动物细胞内的E3主要有三大类，即含HECT(homologous to E6-AP C-terminal)结构域的E3、含环指结构(RING finger)的E3、含U-box的E3。E3在泛素化过程中的作用主要包括3个阶段：E3与E2的相互识别与作用、E3与底物蛋白质的相互识别与作用、E3催化泛素与底物蛋白质的连接及泛素与泛素之间的连接。最终，泛素通过其C端与受体蛋白赖氨酸侧链的ε-氨基发生共价结合，而这些泛素分子上的48位、63位赖氨酸又可以作为修饰位点，如此，底物蛋白上可以形成多泛素链。一般地，由48位赖氨酸残基连接的4个或更多个泛素的底物蛋白质可以被26S蛋白酶体识别并将其降解，而由63位赖氨酸残基连接的泛素链则不参与蛋白质的降解过程，其主要与细胞内信号转导过程和DNA修复等相关。
泛素在泛素化修饰的底物蛋白质被26S蛋白酶体降解之前，可以被去泛素化酶(deubiquitinating enzyme，DUB)水解脱离下来，从而避免其与底物蛋白一道被降解，解离下来的游离形式的泛素可以被循环使用。蛋白酶体是一种巨大的具有四级结构的复合蛋白酶(
约2000 kD)，具有多种蛋白水解酶的活性，其蛋白降解功能主要依赖于泛素化过程。26S蛋白酶体由20S核心复合物(core particle，CP)和19S调节复合物(regulatory particle，RP，也称PA700)组成。其中，20S是由4个同轴的、7个亚基组成的七聚体环叠而成的中空桶装结构。两侧外环由αl-α7亚单位组成，2个内环由β1-β7亚单位组成。3个组成型表达的β亚基(β1、β2、β5)具有苏氨酸蛋白酶活性位点(分别为“半胱天冬酶-样”活性位点、“胰蛋白酶-样”活性位点、“胰凝乳蛋白酶-样”活性位点)，且被封闭在降解腔的内侧，从而有效阻止正常折叠的蛋白质进入降解腔。19S调节复合物可以识别泛素化底物，去折叠底物并释放游离形式的泛素，打开α环上的降解通道并将去折叠的底物送入降解腔。所以，泛素-蛋白酶体介导的迅速且不可逆的特异性蛋白质降解是一个高度复杂、受到严格调控的生命过程。
图1 泛素-蛋白酶体通路
Fig.1 Ubiquitin-proteasome pathway
Ub：泛素；E1：泛素激活酶；E2：泛素载体蛋白；E3：泛素连接酶；DUB：去泛素化酶
2 泛素-蛋白酶体通路的异常与人类重大疾病的发生
泛素-蛋白酶体通路通过降解特定功能的蛋白质来调控细胞的基本生命活动，通过降解异常或受损伤的蛋白质以维持细胞的正常活动。故此，该通路功能紊乱与多种疾病相关，如果这一系统的功能过分活跃，可能会摧毁维持细胞正常生命活动所需的蛋白，反之，如果该系统无法有效工作会导致异常蛋白在细胞内积累。泛素-蛋白酶体系统紊乱导致细胞内蛋白质的动态平衡状态被打破，蛋白质代谢失衡引发疾病，包括神经退行性疾病(如阿尔茨海默症和帕金森病)、癌症、炎症、心血管和呼吸系统疾病、糖尿病、白血病、动脉粥样硬化、病毒感染、肝脏疾病等，以下以神经退行性疾病和癌症为例作简要说明。
2.1 泛素-蛋白酶体通路与神经退行性疾病 神经退行性疾病是一种大脑和脊髓的细胞神经元丧失的疾病状态[6]。在患有帕金森病(PD)、阿尔茨海默症(AD)、亨廷顿病(Huntington)、肌萎
缩性侧索硬化(ALS)或多谷氨酰胺病(PolyQ)的患者中发现，中枢神经系统的细胞内外聚集着大量突变或损伤的蛋白[7]。突变和遗传性因素能够引发错误折叠的蛋白质的堆积，引起泛素-蛋白酶体系统功能障碍，导致底物蛋白质异常堆积、神经元细胞功能衰竭甚至细胞死亡[8]。
阿尔茨海默症表现为认知障碍和记忆力衰退，其标志性的病理特征是形成老年斑和神经细胞内神经原纤维形成缠结，其发病机制是细胞内过度磷酸化Tau蛋白和β淀粉样蛋白(β-amyloid，Aβ)的聚集。Aβ的聚集沉积会导致大量自由基的产生，从而抑制蛋白酶体的活性，导致细胞无法降解堆积的Aβ聚集体，形成恶性循环[9]。Tau是微管相关蛋白，对维持微管稳定性发挥重要作用。而过度磷酸化的Tau丧失正常生理功能，微管结构被破坏引发神经突触障碍和功能损伤，且抑制蛋白酶体的活性。此外，突变形式的泛素UBB+1大量聚集于老年斑块和神经纤维缠结中。UBB+1形成的多泛素链对酶切割的耐受性远远高于正常泛素链，因而UBB+1修饰的底物蛋白不易被蛋白酶体降解，且破坏蛋白酶体的功能[10]。泛素-蛋白酶体系统功能下降、Aβ与Tau蛋白异常并最终导致蛋白酶体功能受到抑制是阿尔茨海默症的主要病因。
帕金森病的主要临床特点是静止性震颤、动作迟缓和减少、肌张力增高、姿势不稳等，其病理特征为黑质多巴胺能神经元变性缺失、残存的神经元胞浆内出现特征性的嗜酸性包涵体Lewy小体[11-12]泛。α-synuclein突触核蛋白、Parkin(泛素连接酶E3)和UCH-L1(去泛素化酶)的基因突变常与帕金森病的病理变化相关，且与泛素-蛋白酶体系统功能障碍密切相关[13]。如Parkin基因突变可导致常染体隐性遗传性帕金森病-青年型或早发型帕金森病，Parkin突变使其底物不能被有效泛素化修饰，进而导致蛋白酶体不能及时清除异常蛋白[如Parkin相关内皮受体样受体(Parkin-associated endothelin receptor like receptor, Pael R)]，蛋白聚集致使多巴胺能神经元死亡。
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