蛋白質(zhì)翻譯后修飾（Post-translational modifications, PTMs）是指蛋白質(zhì)合成后在其氨基酸側(cè)鏈或末端進行的一系列化學修飾，這些修飾極大地擴展了基因編碼的信息容量，賦予蛋白質(zhì)多樣化的功能。PTMs不僅增加了蛋白質(zhì)的多樣性，而且在細胞信號傳遞、蛋白質(zhì)折疊、穩(wěn)定性和降解、細胞周期調(diào)控、基因表達調(diào)控等方面起著至關重要的作用。

泛素化

泛素化是一種常見的蛋白質(zhì)翻譯后修飾，它通過將一個小蛋白—泛素（Ubiquitin），連接到目標蛋白上，從而調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的命運和功能。泛素化不僅僅局限于單個泛素分子的加接，還包括多泛素鏈的形成，這些不同的修飾模式在細胞內(nèi)發(fā)揮著多樣化的生物學功能。

類型

（1）單泛素化（Monoubiquitination）：單個泛素分子連接到目標蛋白的一個賴氨酸殘基上。常與內(nèi)吞作用、DNA修復、信號傳導和基因表達調(diào)控等功能相關。

（2）多泛素化（Polyubiquitination）：一個以上的泛素分子串聯(lián)連接形成泛素鏈，通常涉及Lys48或Lys63位點的泛素之間的相互作用。Lys48連接的多泛素鏈主要標記蛋白質(zhì)進入蛋白酶體降解途徑；Lys63連接的多泛素鏈則更多地參與蛋白質(zhì)復合體的組裝、信號轉(zhuǎn)導和內(nèi)吞作用等過程。

（3）混合泛素化（Mixed ubiquitination）：泛素鏈內(nèi)部存在不同類型的泛素連接方式，這種復雜的修飾模式增加了泛素信號的多樣性。

從蛋白質(zhì)降解到信號轉(zhuǎn)導，再到基因表達調(diào)控，泛素化與去泛素化幾乎貫穿于所有關鍵的生命過程之中，涉及以下幾大方面：

（1）蛋白質(zhì)降解與質(zhì)量控制：最為人所熟知的是，泛素化標記那些需要被快速降解的蛋白質(zhì)，以便通過蛋白酶體途徑清除，維持細胞內(nèi)蛋白質(zhì)的穩(wěn)態(tài)。

（2）信號轉(zhuǎn)導與調(diào)控：泛素化在信號轉(zhuǎn)導過程中起著開關作用，通過控制蛋白質(zhì)復合體的裝配、穩(wěn)定性和活性，調(diào)節(jié)諸如NF-κB、Wnt/β-catenin等多種信號通路。

（3）基因表達調(diào)控：核內(nèi)蛋白質(zhì)的泛素化，如組蛋白H2A和H2BK，影響染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)錄活性。

（4）細胞周期與DNA修復：在細胞周期檢查點中，泛素化參與調(diào)控關鍵蛋白的穩(wěn)定性和活性，確保DNA復制和分裂過程的準確性；在DNA損傷響應中，泛素化標記受損的DNA片段，啟動修復機制。

（5）自噬作用：自噬體選擇性地吞噬并降解細胞內(nèi)的損壞蛋白質(zhì)和細胞器，這一過程也受到泛素化信號的調(diào)控。

實例：

（1）Mdm2蛋白與p53的泛素化：Mdm2是E3泛素連接酶，負責給p53蛋白加上泛素標簽，將其送入蛋白酶體降解，從而調(diào)控p53的穩(wěn)定性和細胞周期檢查點的完整性。

（2）Notch受體的泛素化：Notch受體在信號傳導中經(jīng)由泛素化和蛋白酶切割釋放出胞內(nèi)段，該段隨后轉(zhuǎn)移至細胞核中，參與基因表達的調(diào)控。

（3）HIV-1病毒的Nef蛋白與泛素化：HIV-1的Nef蛋白利用宿主的泛素化系統(tǒng)干擾免疫應答，通過泛素化標記MHC I分子促使其內(nèi)吞和降解，幫助病毒逃避免疫監(jiān)視。

去泛素化

去泛素化是泛素化過程的逆轉(zhuǎn)，由一組被稱為去泛素化酶（Deubiquitinating Enzymes, DUBs）的蛋白酶催化的生化反應。這些酶能夠從蛋白質(zhì)上移除泛素分子，從而恢復蛋白質(zhì)的原始狀態(tài)或修改其泛素鏈結(jié)構(gòu)。DUBs是一大類酶，按照其結(jié)構(gòu)特征和催化機制的不同，可以分為幾個主要類型，每個類型包含若干子類別。

（1）USP家族（Ubiquitin-Specific Proteases）：是最大的DUBs家族，包含超過50個成員。USPs具有保守的“HECT-like”結(jié)構(gòu)域，其中心的Cys殘基直接參與催化反應。USPs不僅能去除單一的泛素單元，還能剪切泛素鏈，改變其長度或類型，影響蛋白質(zhì)降解和信號傳導。

（2）OTU家族（Ovarian Tumor proteases）：OTUs以最初發(fā)現(xiàn)于卵巢腫瘤相關蛋白酶而得名。它們的結(jié)構(gòu)域較小，催化活性依賴于一個保守的Cys-His雙金屬離子活性位點。OTUs特別擅長處理Lys48連接的泛素鏈，這對蛋白質(zhì)降解有重要意義。

示例包括OTUB1、OTUD5等。

（3）JAMM家族（Josephin/Jab1/Pad2/Mov34 metalloenzymes）：JAMMs是一類含鋅指結(jié)構(gòu)域的金屬酶。它們的活性位點含有兩個His殘基和一個Asp殘基組成的Zn²?綁定序列。JAMMs在蛋白質(zhì)復合體的拆卸和重組中起作用，例如在cullin-RING E3連接酶中。

（4）MINDY家族（Motif in UB-specific proteases and in DUB-related YOD1）：MINDYs是最近才鑒定出來的一類DUBs，其成員較少。結(jié)構(gòu)上類似于OTUs，但活性位點的化學環(huán)境有所不同，這影響了其底物特異性和催化效率。

（5）UCH家族（Ubiquitin C-Terminal Hydrolases）：UCHs是最早發(fā)現(xiàn)的DUBs家族，它們的成員數(shù)量相對較少。UCHs主要負責單泛素的加工，即從泛素融合蛋白上切割下來游離的泛素分子。某些UCHe成員也能剪切短的泛素鏈，影響蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性。

去泛素化過程在細胞生理活動中扮演著極其關鍵的角色，涉及到細胞周期調(diào)控、信號傳導、免疫應答、DNA損傷修復以及蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)維持等諸多方面。

（1）細胞周期調(diào)控：去泛素化在細胞周期進展中至關重要，特別是對Cyclin依賴激酶抑制劑p21和p27的調(diào)控。當細胞接收到生長信號后，去泛素酶USP7會去泛素化p21和p27，阻止其過早降解，從而使細胞停留在G1期，直到環(huán)境條件適宜才進入S期。相反，在某些情況下，去泛素酶OTU1可以去泛素化Anaphase Promoting Complex/Cyclosome (APC/C)，這是一種在M期后期至中期轉(zhuǎn)換中起關鍵作用的復合體，從而促進染色體分離和細胞分裂。

（2）信號傳導：NF-κB信號通路是去泛素化調(diào)控的一個經(jīng)典案例。在沒有刺激的情況下，NF-κB與其抑制因子IκB結(jié)合，保持失活狀態(tài)。當受到外界刺激時，IκB被泛素化并迅速降解，釋放NF-κB使其轉(zhuǎn)位入核啟動基因表達。然而，這一過程并非單向不可逆，去泛素酶A20可以在NF-κB信號級聯(lián)反應達到峰值后發(fā)揮作用，通過去泛素化IκBα和TRAF6等關鍵分子，終止信號傳遞，防止過度激活導致慢性炎癥和自身免疫性疾病的發(fā)生。

（3）免疫應答：免疫系統(tǒng)的正常運作高度依賴于去泛素化。Toll樣受體（TLRs）介導的先天免疫應答中，去泛素酶USP18能夠去泛素化IRF3和IRF7，這兩個轉(zhuǎn)錄因子在抗病毒反應中起核心作用，通過調(diào)節(jié)IFNβ的產(chǎn)生抵抗病毒入侵。而在適應性免疫中，CD4+ T細胞分化為Th17細胞的過程中，去泛素酶USP25去泛素化Smurf1，進而保護RORγt免遭降解，確保Th17細胞的充分發(fā)育和功能實現(xiàn)。

（4）DNA損傷修復：面對DNA雙鏈斷裂這樣的嚴重損傷，細胞必須立即啟動修復程序以避免遺傳物質(zhì)丟失。去泛素酶BRCA1 C Terminus (BRE) 能夠去泛素化BRCA1和RAD51等修復蛋白，加速其招募至損傷部位，促進同源重組修復過程。此外，去泛素酶USP28通過去泛素化PCNA，增加其穩(wěn)定性，促進錯配修復和跨損傷合成，保障基因組穩(wěn)定性。

（5）蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)維持：蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)（proteostasis）是指細胞內(nèi)蛋白質(zhì)的合成、折疊、運輸、修飾、聚集和降解處于動態(tài)平衡的狀態(tài)。去泛素酶參與這一過程的關鍵環(huán)節(jié)，比如USP14和UCHL5是蛋白酶體復合體的一部分，它們可以去泛素化待降解的蛋白質(zhì)，決定其是否真正進入降解流程還是重新利用，從而優(yōu)化細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)周轉(zhuǎn)率，避免無謂的能量浪費和潛在的毒性積累。