为维持自身稳态（homeostasis），细胞必须能够及时回应内部及外部环境的迅速变化，而针对特定蛋白 质 的 翻 译 后 修 饰（post-translational modification,PTM）正是一种极其敏感、迅速并且可逆的调节方式[1].小分子修饰如磷酸化、甲基化及乙酰化修饰的机制与功能在细胞生物学的各个方面都已得到广泛而深入的研究。而泛素化（ubiquitination），作为一类作用方式更加复杂且作用结果更加多样的蛋白质修饰，在细胞生命周期各个方面扮演着同样重要的角色。通过对蛋白质稳定性、定位、活性以及相互作用的调控，泛素化广泛参与了诸如转录调节、DNA损伤修复、细胞周期、细胞凋亡、囊泡运输等生理过程[2~7].
与磷酸化、甲基化以及乙酰化修饰所添加的单一基团不同，泛素（ubiquitin, Ub）是一种由76个氨基酸组成的小分子蛋白质，广泛存在于所有真核细胞中，且序列高度保守，从酵母到人仅相差3个氨基酸[8].泛素化是指泛素在一系列酶的催化作用下共价结合到靶蛋白的过程。泛素化过程通常需要3种泛素化酶的 协 同 作 用： E1泛 素 激 活 酶（ubiquitin-activatingenzyme）、E2泛 素 偶 联 酶（ubiquitin-conjugatingenzymes）和E3泛素连接酶（ubiquitin-ligase enzymes）。首先， E1利用ATP提供的能量在泛素C端赖氨酸（Lys）残基上的羧基基团与自身的半胱氨酸（Cys）残基上的巯基基团间形成高能硫酯键，从而活化泛素分子。然后，激活的泛素通过硫酯键再被接合到E2的Cys残基上。最终，激活的泛素或者通过E2直接连到蛋白底物上，或是在E3作用下通过泛素的羧基末端与靶蛋白Lys残基的e-氨基之间形成氨基异肽键而将泛素转移到靶蛋白上。如果靶蛋白结合单个泛素分子，则称为单泛素化；如果靶蛋白的多个Lys残基同时被单个泛素分子标记称为多泛素化；而靶蛋白的单个Lys残基被多个泛素分子标记则称为多聚泛素化。在这一系列酶促级联反应当中， E3在靶蛋白的特异性识别以及泛素化系统活性的调控中起着最重要的作用。
据估计人基因组编码2种E1s、大约40种E2s和超过600种E3s[9],根据E3的结构特点可将其分为含RING（really interesting new gene）结构域的E3s,和含HECT（homologous to E6-AP carboxyl terminus）结构域的E3s以及含U-box结构域的E3s.其中，含RING和U-box结构域的E3,在功能与结构都高度相似，均作为脚手架蛋白将具有催化活性的E2与靶蛋白连接起来从而促进泛素化反应。而具有HECT结构域的E3s本身就具有催化活性，能将泛素从E2转移到自身半胱氨酸上再直接连接到底物蛋白。因此，对于前两类E3s, E2与E3共同决定泛素化链的长度与种类，而具有HECT结构域的E3s则自身起着决定性的影响[10].
泛素分子全长包含7个赖氨酸位点（K6, K11,K27, K29, K33, K48和K63）和1个位于C端的甘氨酸（Gly）位点以及位于N端的甲硫氨酸（Met1）位点。根据现有研究，无论在细胞内环境还是胞外反应体系，泛素自身的每个赖氨酸位点以及N端的甲硫氨酸（Met1）位点都可以发生泛素化从而延伸泛素链[11,12].其中对K48和K63位多聚泛素化的研究最广泛，而其他类型的泛素化链研究较少且被认为是非典型泛素化。但是随着对泛素化链的装配、识别以及水解的深入研究，非典型泛素化的功能与意义也逐渐得到了重视。
由于泛素化修饰对底物的巨大影响，因此与其他PTM如磷酸化、乙酰化相似，泛素化也是一个被严格调控的可逆过程，尤其是去泛素化酶使泛素化修饰具有良好的平衡性。研究表明，细胞内广泛存在许多去泛素化酶（deubiquitinating enzymes, DUBs），主要分为以泛素羧基末端水解酶家族和泛素特异性加工酶家族为主的5种类型[13].去泛素化酶对泛素化过程不仅起着抑制作用，而且可以通过分解泛素化抑制因子、再循环泛素分子、校对泛素化进程等方式促进泛素化过程[14],从而与泛素化系统共同组成一个覆盖几乎所有细胞功能的复杂网络。
本文将通过介绍泛素化在细胞周期、受体内化、DNA损伤修复及细胞凋亡中所扮演的角色来阐述泛素化作为细胞最复杂且最重要的PTM之一，如何发挥其多层面的调节功能参与各个生理过程以维持细胞稳态，以及泛素化异常又如何参与并涉及临床重大疾病如癌症与神经退行性疾病的病理过程，从而为细胞生物学基础研究与临床重大疾病提供新的见解与思路。
1泛素化修饰与细胞生物学功能调控
1.1泛素化修饰与细胞周期调控
对所有真核细胞而言，将蛋白质标记上泛素对正确的细胞分裂至关重要。在超过600种E3连接酶中， SCF（skp1–cullin1–F-box）与APC/C（anaphaseprom-oting complex/cyclosome）E3连接酶对细胞周期调控最重要，它们具有相似的结构，都含有cullin（在SCF中）或cullin相关（在APC/C中）脚手架作为RING结构域结合E2以及底物从而催化泛素化反应[15,16].
SCF与APC/C可 通 过 促 进 细 胞 周 期 蛋 白（Cyclins）， Aurora, Polo-like激酶， Cdc25磷酸酶及细胞周期蛋白依赖性激酶（Cyclin-dependent kinase, CDK）抑制因子的降解而完成不可逆的细胞周期转换[15,17],而细胞则通过一系列调控机制影响SCF与APC/C从而调控细胞周期的进程。尽管SCF与APC/C的结构与功能高度相似，它们的调控方式却迥然不同。对于SCF而言，底物通常都需要被磷酸化修饰才能被SCF识别，如果底物的磷酸化位点发生突变就会导致不受限的细胞分裂。而大部分APC/C的底物都不需要依赖磷酸化被APC/C识别，反而是细胞通过磷酸化或其他机制调控APC/C本身的活性而调节细胞周期转换。因此， SCF, APC/C和细胞形成了一种双向调控关系： E3s调控细胞周期，但是与此同时，细胞周期调控泛素化。而近年来的研究又进一步发现非典型泛素化修饰，新的底物与E3s以及不同的细胞周期相关E3s的相互调控在细胞周期调控中的不容忽视的作用，尤其引人注意的便是K11泛素化修饰[18].
在酵母细胞周期调控蛋白的蛋白酶体降解实验证明其泛素化修饰依赖于K48多聚泛素链，并且在酵母中K48也是泛素分子中唯一对细胞周期不可或缺的赖氨酸。进一步研究又发现酵母中SCF与APC/C通过对底物催化K48多聚泛素化修饰而促进其降解[19~21].有趣的是，在更高等的真核细胞中，研究者发现APC/C能够催化底物发生另一种泛素化修饰， K11多聚泛素化修饰，而不是K48[22].
事实上研究者早在之前的生化实验中就发现了K11多 聚 泛 素 化 修 饰，但 其 功 能 却 无 法 彻 底 阐明[11,23].由于将细胞蛋白酶体抑制后， K11多聚泛素化会增加，研究者认为其可介导蛋白降解。通过使用泛素链特异性抗体，研究发现，当细胞激活APC/C时， K11多聚泛素化链水平急剧增加[24];与之相反抑制K11多聚泛素化后可导致APC/C底物稳定性增加，从而发生细胞周期阻滞[25].因此，在更高等的真核细胞中， K11多聚泛素化，通过介导关键细胞周期调控蛋白的蛋白酶体降解，对正确的细胞分裂而言不可或缺。
1.2泛素化修饰与受体内化
配体诱导的跨膜受体的激活可启动一系列胞内信号通路而调控关键的细胞生物学过程，如细胞增殖、分化、迁移与存活。因此受体通路的时空调控对细胞正确的生物学功能极为重要。其中一类调控机制便是对受体的泛素化修饰，通过促进受体内化并靶向溶酶体降解，从而确保受体通路的及时终止[7].研 究 发 现，对 货 物 蛋 白 进 行 的 单 泛 素 化 修 饰（monoubiquitination）已经足够将其靶向溶酶体[26],但从酵母菌的空泡分选研究中提示K63泛素链修饰可进一步增加此过程的效率[27],也许是因为K63泛素链采取了一种开放性的构型而增加了自身与泛素作用结构域（ubiquitin-interacting domains）的亲和力。一项近期的质谱研究提示超过50%表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor, EGFR）连接的泛素是以K63泛素链形式存在的[28].而几个过表达K63突变泛素的实验清晰地表明神经生长因子受体Trk A和MHCⅠ（major histocompatibility complex I）的内化运输也依赖于K63泛素链修饰[29,30].由于受体酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinases, RTKs）在细胞生物学功能中的核心作用，对RTK的泛素化修饰研究也最为充分，尤其对于EGFR,早已成为泛素化研究领域的热点分子。
