这篇综述文章名为《为泛素密码扩展的词汇表》（*An expanded lexicon for the ubiquitin code*），于2023年4月发表在*Nature Reviews Molecular Cell Biology*期刊（卷24，273-284页）。作者是Ivan Dikic（来自德国法兰克福歌德大学医学院生物化学II研究所和布赫曼分子生命科学研究所）与Brenda A. Schulman（来自德国马丁斯里德马克斯·普朗克生物化学研究所）。本文系统性地总结和阐述了泛素信号系统研究领域的最新突破性进展，特别是那些超越传统认知、极大拓展了“泛素密码”范畴的新发现，并探讨了病原体如何重写这一密码以促进感染。文章不仅梳理了内源性的非常规泛素修饰，还详细介绍了病原体（细菌和病毒）操纵宿主泛素系统的独特机制，并深入剖析了对泛素“阅读器”识别机制的结构与功能层面的新理解。其核心在于强调泛素信号的复杂性和可塑性已远超以往仅关注赖氨酸位点多聚泛素链的范畴，形成了一个更为丰富和动态的调控网络。
文章的主要观点一：泛素修饰的化学多样性远超传统认知，已扩展至非赖氨酸残基及非蛋白质分子。
长期以来，泛素化研究聚焦于其通过异肽键连接到靶蛋白的赖氨酸（Lys）侧链氨基上。然而，近年来的研究表明，泛素化可以发生在多种非典型位点。文章详细阐述了几个关键发现： 1. 丝氨酸/苏氨酸酯键连接：人类E3连接酶MycBP2被发现采用一种全新的“RING–Cys–Relay”（RCR）催化机制，优先将泛素连接到靶蛋白的苏氨酸（Thr）羟基上，形成酯键。这一发现得益于一种能稳定捕获E3催化半胱氨酸的化学探针（活性探针）与质谱技术的结合。随后的生化和结构研究揭示了RCR结构域的工作细节，包括其特有的活性口袋如何定位苏氨酸进行泛素化。基因敲入小鼠模型证实，丧失这种非赖氨酸泛素化能力会导致显著的神经发育表型，提示其在神经元功能中的重要作用。 2. 糖类和脂类的泛素化：线性泛素链组装复合体中的E3连接酶HOIL-1（也称为RBCK1）不仅能修饰蛋白质羟基，还能催化糖类分子的羟基泛素化。这一发现源于对HOIL-1突变导致人类和小鼠模型中出现异常淀粉样多糖聚集体堆积的观察。体外生化重建和核磁共振波谱分析证实，HOIL-1特异性泛素化糖原和麦芽庚糖的C6位羟基。LUBAC的其他亚基（HOIP和SHARPIN）可以直接结合直链淀粉，可能起到将HOIL-1募集到糖类底物附近的作用。此外，宿主E3连接酶RNF213被发现能够将泛素连接到细菌脂多糖（LPS）的脂质A部分，这是首次发现的脂质泛素化。这种修饰对启动宿主针对胞内细菌的自噬反应至关重要。RNF213使用其非典型的锌指结构域（而非典型的RING结构域）催化此反应，其机制尚不完全清楚，但代表了泛素化靶标的又一重大拓展。 3. ADP-核糖的泛素化：RING E3连接酶Deltex3L被发现能够以ADP-核糖（ADPR）为底物，将泛素的C端连接到ADPR上。Deltex3L结构中含有ADPR结合结构域，该结构域与RING结构域的相对位置促进了泛素从结合的E2酶转移到ADPR上。这种修饰会阻塞泛素的C端，从而抑制其常规的E1-E2-E3依赖性连接。Deltex3L与ADP-核糖基转移酶PARP9的相互作用可能有助于其定位到特定的ADP-核糖基化蛋白底物上进行泛素化。
文章的主要观点二：存在专门擦除这些非常规泛素连接的“橡皮擦”，即去泛素化酶，其底物特异性存在差异。
与“写入”机制相对应，细胞也必须能够“擦除”这些非常规修饰。文章指出，去泛素化酶（DUBs）对不同化学键的连接具有不同的清除能力。通过利用MycBP2 RCR结构域制备的化学酶学工具（泛素与苏氨酸、丝氨酸或半胱氨酸侧链连接的探针），研究人员系统测试了53种重组DUBs的活性。结果显示：泛素特异性蛋白酶（USP）和泛素C端水解酶（UCH）家族的DUBs对泛素-赖氨酸和泛素-苏氨酸底物都有活性；卵巢肿瘤（OTU）家族中的大多数DUBs对泛素-赖氨酸底物具有特异性，但病毒DUB和TRAF结合域包含蛋白（Trabid）是例外；而Machado–Joseph病结构域包含蛋白酶（MJD）家族的DUBs在移除苏氨酸连接的泛素方面表现更优，部分还能有效移除与半胱氨酸（如在谷胱甘肽背景下）连接的泛素。对肽底物的测试进一步表明，MJD家族DUBs在移除丝氨酸伯羟基连接的泛素时活性最高。这些内在的特异性差异提示，不同的DUBs可能偏好清除不同背景下的羟基或巯基连接的泛素，甚至可能作用于脂质或糖类底物。
文章的主要观点三：病原体进化出独特机制重写宿主泛素密码，以逃逸免疫并促进自身复制。
细菌和病毒分泌效应蛋白，以高度特异且常出乎意料的方式操纵宿主的泛素系统，创造出宿主细胞自身无法产生的独特泛素修饰。 1. 磷酸核糖连接的丝氨酸泛素化：引起军团菌病的嗜肺军团菌（*Legionella pneumophila*）效应蛋白SidE家族（SdeA, SdeB, SdeC, SidE）采用一种完全独立于宿主E1-E2-E3酶的机制。它们利用NAD+作为辅因子，通过其单ADP-核糖基转移酶（MART）和磷酸二酯酶（PDE）结构域，催化一个两步反应，最终通过一个磷酸核糖桥将泛素的精氨酸42（Arg42）连接到宿主蛋白的丝氨酸（Ser）上。这种连接既不能被宿主DUBs逆转，也不能被宿主泛素化系统利用。嗜肺军团菌还分泌效应蛋白DupA和DupB作为磷酸核糖-泛素特异性DUBs，以及效应蛋白SidJ（一种谷氨酰化酶，可灭活SidE的催化位点）来精细调节这种修饰的水平，避免其过度累积产生毒性。 2. 泛素和NEDD8的脱酰胺化：伯克霍尔德菌（*Burkholderia pseudomallei*）、肠致病性大肠杆菌（EPEC）和嗜肺军团菌分泌的效应蛋白（如Cif、CHBP、MavC/MvcA）具有木瓜蛋白酶样水解酶折叠结构，能够将泛素或其类似蛋白NEDD8上高度保守的谷氨酰胺40（Gln40）脱酰胺化，转化为谷氨酸40（Glu40）。对于NEDD8，脱酰胺化不影响其与Cullin蛋白的共价连接，但破坏了NEDD8与Cullin之间的非共价相互作用，而这种相互作用对于激活Cullin-RING连接酶（CRLs）的构象变化至关重要，从而导致CRL底物（如细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂p21和p27）无法被泛素化和降解，细胞周期停滞。对于泛素，脱酰胺化会阻止其从E2转移到受体赖氨酸。嗜肺军团菌的效应蛋白MavC更进一步，它不仅脱酰胺化泛素Gln40，还能催化转谷氨酰胺反应，将泛素的Gln40共价连接到宿主E2酶UBE2N（Ubc13）的赖氨酸92或94上，形成一个无活性的UBE2N-泛素复合物，从而抑制NF-κB信号通路。而高度同源的效应蛋白MvcA则作为DUB特异性水解MavC创建的异肽键，在感染后期恢复UBE2N活性。这再次体现了病原体利用高度同源的催化结构域执行相反化学反应的精巧策略。 3. 病毒对泛素密码的影响：病毒也靶向干扰素刺激基因15（ISG15）这一泛素样修饰系统。许多病毒编码去ISGylation酶来逃逸宿主的抗病毒反应。文章特别强调了SARS-CoV-2及其相关冠状病毒的木瓜样蛋白酶（PL^pro^）的作用。尽管SARS-CoV和SARS-CoV-2的PL^pro^高度相似，但它们对泛素、NEDD8和ISG15这三种泛素样蛋白的水解偏好性存在显著差异。SARS-CoV优先切割K48连接的泛素链底物，而SARS-CoV-2 PL^pro^更偏好ISG15连接的底物。这种差异可能影响细胞对病毒攻击的反应，并为抗COVID-19药物设计提供线索。此外，PL^pro^的去ISGylation活性会产生活性，可能增强其分泌和细胞外信号功能，加剧某些重症患者的细胞因子风暴。
文章的主要观点四：对泛素“阅读器”的机制理解达到新高度，揭示其通过多价相互作用和变构调控实现功能特异性。
“阅读器”通过识别泛素修饰来触发下游细胞事件。文章通过几个前沿例子展示了识别机制的复杂性。 1. 处理多种底物的通用阅读器：26S蛋白酶体和Cdc48/p97是处理成千上万种不同泛素化蛋白的通用机器。最新的冷冻电镜结构揭示了它们的工作细节。对于蛋白酶体，泛素主要影响底物的捕获和结合，并通过变构调节促进底物进入并被AAA ATPase马达抓住。只有最靠近底物的泛素（近端泛素）在结构中被稳定观察到，提示多聚泛素链中的其他泛素可能与调节颗粒中的多个受体动态相互作用。对于Cdc48/p97与其辅因子Npl4-Ufd1的复合物，结构显示其以仅能被K48连接方式实现的排列结合三个泛素分子，而第四个泛素结合位点可能动态捕获链远端的泛素。引人注目的是，在酵母Cdc48展开底物的冷冻电镜结构中，一个K48链中相对近端的泛素自身被展开了，其未折叠的部分结合在Npl4的凹槽中并被穿入Cdc48的中心孔道。这显示了泛素不仅作为标签，其本身也可能在降解过程中被处理。 2. 同一泛素化底物被多个阅读器识别：组蛋白H2B的赖氨酸120（H2BK120ub） 单泛素化是一个典型例子。这个柔性的泛素可以被多种染色质修饰甲基转移酶识别，但每种酶结合泛素和核小体的方式不同，从而导致不同的组蛋白甲基化结果。DOT1L甲基化同一位点核小体上的H3K79（顺式），而MLL1/COMPASS复合物甲基化对侧核小体上的H3K4（反式）。泛素的多价相互作用帮助这些酶稳定其活性构象或促进其与核小体的结合。 3. 泛素样修饰引起的变构调控：NEDD8对Cullin-RING连接酶（CRL）的修饰是变构调控的典范。NEDD8与所连接的Cullin结构域发生特异的非共价相互作用，这反过来又使NEDD8稳定在一种“环出”构象，暴露其Ile44疏水斑块，从而被UBE2D家族E2酶或ARIh1家族E3酶（也是阅读器）特异性识别。此外，Cullin和NEDD8之间的相互作用是相互的：Cullin变构调节NEDD8的构象以促进读者结合，而NEDD8也调节CRL的整体构象以适应不同的读者。文章进一步以NEDD8修饰的Cul5-CRL结合ARIh2为例，展示了另一种模式：ARIh2根本不接触Cul5连接的NEDD8，而是NEDD8通过与Cul5多个结构域的相互作用引发Cul5构象变化，暴露出新的表面来结合ARIh2。这说明了同源修饰的蛋白质可以以不同方式结合同源的阅读器。
文章的主要观点五：拓展的泛素密码为新型治疗策略提供了广阔机遇。
文章最后展望了基于泛素系统的治疗前景。除了已成功的蛋白酶体抑制剂（如硼替佐米、卡非佐米）和正在开发中的E3连接酶或DUB抑制剂外，文章重点提到了“事件驱动”而非“占据驱动”的新策略，即蛋白水解靶向嵌合体（PROTACs）和分子胶。这些双功能分子能诱导E3连接酶与任何感兴趣的靶蛋白接近，从而实现靶向降解。它们具有高特异性和催化循环的优势。目前已有针对雄激素受体和雌激素受体的PROTACs进入临床试验。对泛素密码多样性的新认知，包括对各种非常规修饰、链类型和阅读器相互作用的深入理解，将极大地推动设计更精准、更具组织特异性且能克服耐药性的下一代疗法。
本文的意义与价值：
这篇综述具有重要的学术价值和指引意义。它不仅系统整合了近年来泛素生物学领域最激动人心的突破性发现，将一系列看似分散的非经典现象提升到“扩展的泛素密码”这一统一概念框架下，而且清晰地勾勒出该领域从传统蛋白质降解研究向一个涵盖化学多样性、病原体互作和复杂识别机制的多维学科演进的轨迹。文章强调，对泛素密码复杂性的深入理解是开发下一代精准疗法的基石。通过揭示病原体重写宿主泛素密码的独特策略，文章也为理解感染性疾病发病机制和开发新型抗感染药物提供了全新视角。本文是对泛素信号领域现状的一次权威、全面且前瞻性的梳理，必将启发和引导未来数年该领域的基础研究与转化应用。