泛素-蛋白酶体通路及其药物研发进展 每日信息

泛素-蛋白酶体是“消化”细胞内蛋白质的重要途径之一，它能调控多个重要的生命活动，如细胞增殖、分化、凋亡、DNA 修复等。近年来，人们逐渐认识到泛素-蛋白酶体系统的异常与多种不同疾病的发生密切相关，包括神经退行性疾病阿尔兹海默症、亨廷顿病、癌症、心血管和呼吸系统疾病等。在神经退行性疾病中，外源或者内源因素可以引发神经细胞内外蛋白质的错误折叠，从而影响泛素-蛋白酶体的降解功能而导致大量蛋白的异常堆积，甚至细胞死亡。而肿瘤的发生则与细胞过度增殖以及抗凋亡能力增强有关。泛素-蛋白酶体通过促进抑癌蛋白如P53的降解或者阻滞致癌蛋白降解而影响肿瘤细胞的存活。在近几十年的研究中，泛素-蛋白酶体作为一个庞大的蛋白质机器，成为科学家们研发疾病潜在有效药物的重要靶点。

泛素-蛋白酶体途径作用机制

泛素-蛋白酶体途径需要包括泛素（ubiquitin，Ub）、泛素激活酶 E1( ubiquitin-activating enzyme，E1)、泛素聚合酶(亦称泛素载体蛋白)（ubiquitin-carrier protein，E2）、泛素连接酶（ubiquitin-ligating enzyme，E3）、26S蛋白酶体（26S proteasomes）和去泛素化酶（deubiquitinating enzymes，DUBs）等相关物质的参与。

(资料图片)

泛素-蛋白酶体途径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，一种是游离形式，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。泛素化是一个由泛素激活酶 E1，泛素聚合酶E2 和泛素连接酶E3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。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。

泛素-蛋白酶体通路（来源文献[1]）

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

泛素-蛋白酶体与药物研发

目前已报道的多种人类疾病与蛋白酶体通路的异常有关。经批准的蛋白酶体抑制剂也已成功用于治疗多发性骨髓瘤、套细胞淋巴瘤等癌症，而正在开发的多个靶向泛素-蛋白酶体通路不同组分的药物，如去泛素化酶抑制剂等临床前测试药物，泛素化酶调节剂、新的蛋白酶体抑制剂等临床试验药物等也显现出更值得期待的疗效。

1、蛋白酶体抑制剂

目前已报道的有较好抗肿瘤效果的药物有10余种，且用于临床治疗的药物以蛋白酶体抑制剂居多。硼替佐米(Bortezomib)Bortezomib (PS-341)是首 个被 FDA 批准的以泛素-蛋白酶体通路为靶点的蛋白酶体抑制剂类药物。Bortezomib 是一种硼酸二肽，它可以特异性地与20S蛋白酶体的β5亚基的苏氨酸的活性部位结合，有效抑制胰凝乳蛋白酶活性。同时，它也可以与 β1 亚基的苏氨酸的活性部位结合，抑制半胱天冬蛋白酶活性。Bortezomib是一类高选择性的可逆抑制剂，也是一种被批准用于治疗多发性骨髓瘤的药物。暴露于 Bortezomib 可以稳定 p21，p27，p53蛋白以及促凋亡Bid和Bax 蛋白，阻断细胞内 NF-κB 通路的激活，导致肿瘤细胞死亡。

Carfizomib 作为第二代蛋白酶体抑制剂类药物，于2012 年被 FDA 批准用于治疗已经使用过Bortezomib 治疗的多发性骨髓瘤患者。与Bortezomib不同，Carfizomib 属于环氧酮类化合物，具有独特的化学结构和选择性，它的环氧酮部分与苏氨酸的羟基和游离 α-氨基相互作用，以不可逆的方式形成吗啉加合物。Carfizomib 与蛋白酶体其他 β 亚基如 β1、 β2 的结合能力要弱于 Bortezomib，从而降低了对胰蛋白酶、半胱天冬酶的活性抑制。 Ixazomib 是首 个被批准的口服硼酸酯类蛋白酶体抑制剂。数据显示，Ixazomib 可以以“孤儿药”或者联合其他蛋白酶体抑制剂给药的方式，用于治疗多发性骨髓瘤、全身性轻链淀粉样变等其他恶性肿瘤。此外，蛋白酶体的特殊亚基类抑制剂(β1i、β2i、β5i)，也可通过与亚基的结合，以可逆或者不可逆的方式占据蛋白质降解的结合位点，抑制降解、阻滞细胞周期，从而有效抑制肿瘤的复发。

2、去泛素化酶抑制剂

去泛素化酶抑制剂作用于半胱氨酸蛋白酶和金属蛋白酶。现已开发的与19S蛋白酶体相关的去泛素化酶主要有UCHL5 (or UCH37)、USP14、USP7和PSMD14 (POH1)等。P5091属于噻吩类小分子抑制剂，它与P22077主要作用于USP7。研究发现，对Bortezomib治疗产生耐药性的多发性骨髓瘤患者中使用P5091，可诱导肿瘤细胞的死亡。WP-1130、b-AP15均可作用于多个去泛素化酶。多泛素化修饰蛋白的累积阻滞细胞周期，从而有效抑制结肠癌等肿瘤的发展。WP-1130与Bortezomib有协同的肿瘤治疗作用，而b-AP15更多用于治疗耐Bortezomib药性的肿瘤。作为金属蛋白酶家族成员之一的去泛素化酶PSMD14，其在细胞内水平负调控多发骨髓瘤细胞的增殖以及患者的生存率，由此，Cleave Biosciences公司设计合成了针对PSMD14的特异性抑制剂并已进入临床试验前期。

3、泛素化酶调节剂

E1是泛素化体系中的第一个酶。两种E1 (Uba1和Uba6)调节了下游泛素化反应。因此，调控E1活性可调节下游某些与肿瘤相关蛋白的泛素化。目前，已有多种 E1 抑制剂被报道。例如，Uba1的抑制剂PYR-41 和PYZD-4409。但已进入临床试验的只有类泛素分子NEDD8 的E1活化酶抑制剂MLN4924。抑制E1会导致泛素化底物的累积，而 E1 较差的特异性和成药性成为了发展 E1抑制剂的绊脚石。E2 抑制剂具有较强的选择性，提供了在肿瘤治疗方面更大的空间。如抑制剂CC0651 通过与CDC34 的结合而发生的构象改变阻滞了Ub 的级联反应。E3的数量约有近700个，它能够特异性识别蛋白质底物，从而使得它成为多种相关疾病的治疗靶点。人们可以通过调控底物蛋白质的 E3 来调节目的蛋白，从而有针对性地提高疗效。如MDM2是肿瘤抑癌基因p53的E3，阻断MDM2和p53 的相互作用，可以稳定 p53，从而阻滞肿瘤细胞周期，促进凋亡。Nutlin-3 是第一个以 MDM2 为靶点的 E3 抑制剂。Nutlin-3模拟并占据 p53 与 MDM2 的结合位点，从而避免 p53 被泛素标记而降解。作为另一种稳定 p53的小分子药物，RITA 通过与 p53 的 N 端结合从而抑制 p53 与 MDM2 之间的相互作用。被批准用于治疗多发性骨髓瘤(MM)、套细胞淋巴瘤(MCL)、骨髓增生异常综合征(myelodysplastic syndromes)的药物

参考资料

[1]陈禹杉,姜天霞,周鲁明,冯仁田,邱小波.泛素-蛋白酶体通路与药物研发[J].中国生化药物杂志,2016,36(12):1-6.

[2]刘扬.泛素-蛋白酶体与药物应用[J].大学化学,2019,34(07):60-66.

作者简介：小泥沙，食品科技工作者，现就职于国内某大型药物研发公司，从事营养食品及功能性食品的开发与研究。