為維持自身穩態（homeostasis），細胞必須能夠及時回應內部及外部環境的迅速變化，而針對特定蛋白 質 的 翻 譯 后 修 飾（post-translational modification,PTM）正是一種極其敏感、迅速并且可逆的調節方式[1].小分子修飾如磷酸化、甲基化及乙?；揎椀臋C制與功能在細胞生物學的各個方面都已得到廣泛而深入的研究。而泛素化（ubiquitination），作為一類作用方式更加復雜且作用結果更加多樣的蛋白質修飾，在細胞生命周期各個方面扮演著同樣重要的角色。通過對蛋白質穩定性、定位、活性以及相互作用的調控，泛素化廣泛參與了諸如轉錄調節、DNA損傷修復、細胞周期、細胞凋亡、囊泡運輸等生理過程[2~7].
與磷酸化、甲基化以及乙?；揎椝砑拥膯我换鶊F不同，泛素（ubiquitin, Ub）是一種由76個氨基酸組成的小分子蛋白質，廣泛存在于所有真核細胞中，且序列高度保守，從酵母到人僅相差3個氨基酸[8].泛素化是指泛素在一系列酶的催化作用下共價結合到靶蛋白的過程。泛素化過程通常需要3種泛素化酶的 協 同 作 用： E1泛 素 激 活 酶（ubiquitin-activatingenzyme）、E2泛 素 偶 聯 酶（ubiquitin-conjugatingenzymes）和E3泛素連接酶（ubiquitin-ligase enzymes）。首先， E1利用ATP提供的能量在泛素C端賴氨酸（Lys）殘基上的羧基基團與自身的半胱氨酸（Cys）殘基上的巰基基團間形成高能硫酯鍵，從而活化泛素分子。然后，激活的泛素通過硫酯鍵再被接合到E2的Cys殘基上。最終，激活的泛素或者通過E2直接連到蛋白底物上，或是在E3作用下通過泛素的羧基末端與靶蛋白Lys殘基的e-氨基之間形成氨基異肽鍵而將泛素轉移到靶蛋白上。如果靶蛋白結合單個泛素分子，則稱為單泛素化；如果靶蛋白的多個Lys殘基同時被單個泛素分子標記稱為多泛素化；而靶蛋白的單個Lys殘基被多個泛素分子標記則稱為多聚泛素化。在這一系列酶促級聯反應當中， E3在靶蛋白的特異性識別以及泛素化系統活性的調控中起著最重要的作用。
據估計人基因組編碼2種E1s、大約40種E2s和超過600種E3s[9],根據E3的結構特點可將其分為含RING（really interesting new gene）結構域的E3s,和含HECT（homologous to E6-AP carboxyl terminus）結構域的E3s以及含U-box結構域的E3s.其中，含RING和U-box結構域的E3,在功能與結構都高度相似，均作為腳手架蛋白將具有催化活性的E2與靶蛋白連接起來從而促進泛素化反應。而具有HECT結構域的E3s本身就具有催化活性，能將泛素從E2轉移到自身半胱氨酸上再直接連接到底物蛋白。因此，對于前兩類E3s, E2與E3共同決定泛素化鏈的長度與種類，而具有HECT結構域的E3s則自身起著決定性的影響[10].
泛素分子全長包含7個賴氨酸位點（K6, K11,K27, K29, K33, K48和K63）和1個位于C端的甘氨酸（Gly）位點以及位于N端的甲硫氨酸（Met1）位點。根據現有研究，無論在細胞內環境還是胞外反應體系，泛素自身的每個賴氨酸位點以及N端的甲硫氨酸（Met1）位點都可以發生泛素化從而延伸泛素鏈[11,12].其中對K48和K63位多聚泛素化的研究最廣泛，而其他類型的泛素化鏈研究較少且被認為是非典型泛素化。但是隨著對泛素化鏈的裝配、識別以及水解的深入研究，非典型泛素化的功能與意義也逐漸得到了重視。
由于泛素化修飾對底物的巨大影響，因此與其他PTM如磷酸化、乙?；嗨?，泛素化也是一個被嚴格調控的可逆過程，尤其是去泛素化酶使泛素化修飾具有良好的平衡性。研究表明，細胞內廣泛存在許多去泛素化酶（deubiquitinating enzymes, DUBs），主要分為以泛素羧基末端水解酶家族和泛素特異性加工酶家族為主的5種類型[13].去泛素化酶對泛素化過程不僅起著抑制作用，而且可以通過分解泛素化抑制因子、再循環泛素分子、校對泛素化進程等方式促進泛素化過程[14],從而與泛素化系統共同組成一個覆蓋幾乎所有細胞功能的復雜網絡。
本文將通過介紹泛素化在細胞周期、受體內化、DNA損傷修復及細胞凋亡中所扮演的角色來闡述泛素化作為細胞最復雜且最重要的PTM之一，如何發揮其多層面的調節功能參與各個生理過程以維持細胞穩態，以及泛素化異常又如何參與并涉及臨床重大疾病如癌癥與神經退行性疾病的病理過程，從而為細胞生物學基礎研究與臨床重大疾病提供新的見解與思路。
1泛素化修飾與細胞生物學功能調控
1.1泛素化修飾與細胞周期調控
對所有真核細胞而言，將蛋白質標記上泛素對正確的細胞分裂至關重要。在超過600種E3連接酶中， SCF（skp1–cullin1–F-box）與APC/C（anaphaseprom-oting complex/cyclosome）E3連接酶對細胞周期調控最重要，它們具有相似的結構，都含有cullin（在SCF中）或cullin相關（在APC/C中）腳手架作為RING結構域結合E2以及底物從而催化泛素化反應[15,16].
SCF與APC/C可 通 過 促 進 細 胞 周 期 蛋 白（Cyclins）， Aurora, Polo-like激酶， Cdc25磷酸酶及細胞周期蛋白依賴性激酶（Cyclin-dependent kinase, CDK）抑制因子的降解而完成不可逆的細胞周期轉換[15,17],而細胞則通過一系列調控機制影響SCF與APC/C從而調控細胞周期的進程。盡管SCF與APC/C的結構與功能高度相似，它們的調控方式卻迥然不同。對于SCF而言，底物通常都需要被磷酸化修飾才能被SCF識別，如果底物的磷酸化位點發生突變就會導致不受限的細胞分裂。而大部分APC/C的底物都不需要依賴磷酸化被APC/C識別，反而是細胞通過磷酸化或其他機制調控APC/C本身的活性而調節細胞周期轉換。因此， SCF, APC/C和細胞形成了一種雙向調控關系： E3s調控細胞周期，但是與此同時，細胞周期調控泛素化。而近年來的研究又進一步發現非典型泛素化修飾，新的底物與E3s以及不同的細胞周期相關E3s的相互調控在細胞周期調控中的不容忽視的作用，尤其引人注意的便是K11泛素化修飾[18].
在酵母細胞周期調控蛋白的蛋白酶體降解實驗證明其泛素化修飾依賴于K48多聚泛素鏈，并且在酵母中K48也是泛素分子中唯一對細胞周期不可或缺的賴氨酸。進一步研究又發現酵母中SCF與APC/C通過對底物催化K48多聚泛素化修飾而促進其降解[19~21].有趣的是，在更高等的真核細胞中，研究者發現APC/C能夠催化底物發生另一種泛素化修飾， K11多聚泛素化修飾，而不是K48[22].
事實上研究者早在之前的生化實驗中就發現了K11多 聚 泛 素 化 修 飾，但 其 功 能 卻 無 法 徹 底 闡明[11,23].由于將細胞蛋白酶體抑制后， K11多聚泛素化會增加，研究者認為其可介導蛋白降解。通過使用泛素鏈特異性抗體，研究發現，當細胞激活APC/C時， K11多聚泛素化鏈水平急劇增加[24];與之相反抑制K11多聚泛素化后可導致APC/C底物穩定性增加，從而發生細胞周期阻滯[25].因此，在更高等的真核細胞中， K11多聚泛素化，通過介導關鍵細胞周期調控蛋白的蛋白酶體降解，對正確的細胞分裂而言不可或缺。
1.2泛素化修飾與受體內化
配體誘導的跨膜受體的激活可啟動一系列胞內信號通路而調控關鍵的細胞生物學過程，如細胞增殖、分化、遷移與存活。因此受體通路的時空調控對細胞正確的生物學功能極為重要。其中一類調控機制便是對受體的泛素化修飾，通過促進受體內化并靶向溶酶體降解，從而確保受體通路的及時終止[7].研 究 發 現，對 貨 物 蛋 白 進 行 的 單 泛 素 化 修 飾（monoubiquitination）已經足夠將其靶向溶酶體[26],但從酵母菌的空泡分選研究中提示K63泛素鏈修飾可進一步增加此過程的效率[27],也許是因為K63泛素鏈采取了一種開放性的構型而增加了自身與泛素作用結構域（ubiquitin-interacting domains）的親和力。一項近期的質譜研究提示超過50%表皮生長因子受體（epidermal growth factor receptor, EGFR）連接的泛素是以K63泛素鏈形式存在的[28].而幾個過表達K63突變泛素的實驗清晰地表明神經生長因子受體Trk A和MHCⅠ（major histocompatibility complex I）的內化運輸也依賴于K63泛素鏈修飾[29,30].由于受體酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinases, RTKs）在細胞生物學功能中的核心作用，對RTK的泛素化修飾研究也最為充分，尤其對于EGFR,早已成為泛素化研究領域的熱點分子。
