摘要： 蛋白质是细胞内极其重要的生物大分子。细胞的许多重要功能，包括酶和激素的功能、运动、运输、免疫反应等都是通过蛋白质来实现的。正是由于其重要性，所以长期以来蛋白质一直是生物化学研究的一个极重要的领域。人们关注蛋白质在细胞内是如何合成的，到目前为止，至少已有5个诺贝尔奖授予了这一领域的研究者。但对于相反的过程，即蛋白质在细胞内是如何降解的，很长一段时期中很少有人关注。而以色列科学家阿龙·切哈诺沃(Aaron Ciechanover)、阿夫拉姆·赫什科(Avram Hershko)和美国科学家欧文·罗斯(Irwin Rose)正是在这方面作出了突破性的贡献，发现了泛素介导的蛋白质降解机制，因而共同获得了2004年诺贝尔化学奖。
一、泛素：蛋白质降解的标记者
实验证明，标记被降解蛋白质的分子是一个由76个氨基酸残基组成的多肽，最早于1975年从小牛组织中分离得到。因为随后发现在所有真核生物的不同组织中都有它的存在，所以将其称之为泛素(ubiquitin，源于拉丁字ubique，意指到处存在的)。
二、ATP：细胞内蛋白质降解的供能者
一般而言，生物体内的合成代谢需要提供能量，而分解代谢则释放能量。所以很长一段时期内，人们普遍认为，体内蛋白质的降解是不需要提供能量的。一些蛋白水解酶发挥功能时就是这样，如胰蛋白酶在小肠内将食物中的蛋白质降解成氨基酸。类似地，在溶酶体中对从其外部进入的蛋白质的降解也不需要能量。然而，早在上世纪50年代的实验就已表明，细胞内蛋白质的降解确实需要能量。这个看似自相矛盾的现象，即细胞内蛋白质的降解需要能量而细胞外蛋白质降解不需要附加能量，长期以来使研究者感到迷惑。切哈诺沃、赫什科和罗斯于上世纪70年代后期和80年代早期使用网织红细胞的无细胞系统进行了一系列重要的研究，成功地证明细胞内蛋白质的降解需要以多步骤的反应导致泛素标记被降解的蛋白质。这个过程使细胞以高度的特异性降解不需要的蛋白质，而正是这种精确的调节需要ATP(adenosine triphosphate，腺苷三磷酸)提供能量。
三、机制：死亡之吻
切哈诺沃和赫什科在1977年开始使用网织红细胞抽提物进行依赖于能量的蛋白质降解研究，发现这种抽提物可以被分为两个组分。两个组分单独存在时都不具有活性，但当两者重新组合时，就启动了依赖ATP的蛋白质降解。1978年，他们报道了其中1个组分的活性成分是一种分子量约为9 000的热稳定的多肽APF-1 (active principle in fraction 1)，即后来证明的泛素，并证明APF-1能与各种蛋白质以共价键结合。1980年他们和罗斯共同报道APF-1 可以多个分子同时结合于同一蛋白质，这一现象被称为多泛素化。目前已知，蛋白质的多泛素化是一种控制信号，其导致被标记蛋白质在蛋白酶体中的降解。正是多泛素化的反应对被降解的蛋白质进行了标记，所以将其戏称为“死亡之吻”(kiss of death)。
因为泛素在真核生物中普遍存在，所以研究者很快明白泛素介导的蛋白质降解在真核细胞中具有普遍的意义，而且也猜测到ATP形式的能量需要可能对细胞控制降解过程的特异性具有意义。因而进一步的研究就是要鉴定使泛素结合于其靶蛋白的酶系统。在1981年到1983年之间，切哈诺沃、赫什科和罗斯在细胞中发现了3种新的酶——泛素激活酶E1、泛素结合酶E2和泛素连接酶E3，提出了“多步骤泛素标记假说”(见图1)。至今的研究表明，一个典型的哺乳动物细胞含有1个或少数几个不同的E1酶、几十个E2酶和几百个E3酶。细胞能使用泛素系统降解有缺陷或不再需要的蛋白质。实际上，细胞中多至30%新合成的蛋白质因为不能通过细胞严格的质量控制，而由泛素标记转运到蛋白酶体被降解。
步骤①：E1酶催化的依赖ATP供能的泛素(UB)活化； 步骤②：泛素分子转移到E2酶； 步骤③：E3酶识别要降解的靶蛋白(TARGET)，E2酶-泛素复合物与靶蛋白结合并使泛素分子标记从E2酶转移到靶蛋白； 步骤④：E3酶释出泛素标记的蛋白质； 步骤⑤：重复步骤④，使靶蛋白与多个泛素结合，即所谓的靶蛋白的多泛素化； 步骤⑥：蛋白酶体识别多泛素化的靶蛋白，泛素分子脱落而靶蛋白进入蛋白酶体被降解为小肽。
四、蛋白酶体：蛋白质降解的执行者
很多蛋白酶体，如人的一个细胞含有大约30 000个蛋白酶体。蛋白酶体是呈桶型结构的多亚基蛋白酶复合体，它能将蛋白质降解成7～9个氨基酸残基组成的小肽。蛋白酶体的活性表面在桶内而与细胞的其余部分相隔离，进入活性表面的惟一关卡能识别多泛素化标记的蛋白质，在移去泛素标记的同时接纳它们进入蛋白酶体而进行降解，形成的小肽从蛋白酶体的另一端释出。蛋白酶体本身不能选择被降解的蛋白质，是E3酶的特异性决定了细胞中哪个蛋白质要被标记而送到蛋白酶体进行降解。
五、泛素系统：多种细胞功能的调节者
泛素介导的蛋白质降解系统涉及细胞的多种重要生理功能，参与对细胞周期、DNA复制和染色体结构等的调控。这种系统的缺陷能导致各种疾病，包括一些癌症。
1.细胞周期
细胞周期是指一个细胞经生长、分裂而增殖成两个细胞所经历的全过程，细胞周期的调控对生物的生存、繁殖、发育和遗传具有十分重要的意义。在细胞周期调控中，细胞周期蛋白是一个关键蛋白质。泛素连接酶E3作为“细胞分裂后期促进复合物”的主要组分，通过对细胞周期蛋白N末端进行标记使其降解，而在控制细胞周期上发挥重要的作用。该复合物在细胞有丝分裂和减数分裂期间染色体分离中也具有关键的作用。
减数分裂或有丝分裂中染色体的错误分离会导致细胞染色体数的改变，而这正是怀孕后自然流产的主要原因。一个额外的21号染色体的形成则导致唐氏综合征。因为在有丝分裂中重复地进行染色体的错误分离，许多恶性肿瘤细胞也会具有数目改变了的染色体。
泛素调节系统的其他酶也参与细胞周期的调节，如调节酵母细胞周期的细胞因子Cdc34实际上就是一种泛素结合酶E2。
2.DNA修复
DNA修复是生物为保持其复制精确性而具有的一种特殊功能。p53蛋白作为重要的转录因子，通过调节DNA修复相关基因的表达而实现对DNA修复的调控。p53蛋白在细胞内的降解也是通过特定的E3酶标记的。正常细胞中p53蛋白不断地合成，又不断地降解，在细胞中含量低。但在DNA受损后，触发了p53蛋白的磷酸化而不再与E3酶结合，使其在细胞中含量很快增加，造成细胞周期的停顿并促使对损伤DNA进行修复。但是如果DNA损伤程度太广，则不再进行修复而触发细胞程序性死亡。
p53蛋白对肿瘤具有抑制作用，被称为“基因组的卫士”。但病毒可以通过特定的蛋白质活化相关的E3酶对p53蛋白进行泛素化而将其降解，其结果是病毒感染的细胞不能再对DNA损伤进行修复，也不触发细胞程序性死亡，造成DNA突变大量增加而导致癌症。
3.免疫和炎症反应
转录因子NF-κB可以调节细胞的许多对免疫和炎症反应重要的基因。正常情况下，细胞中的NF-κB与其抑制蛋白结合形成没有活性的复合物。但是当细胞暴露于感染的细菌或某种信号物质时，抑制蛋白的磷酸化导致其泛素化而在蛋白酶体内降解。释出的活性NF-κB被转运到细胞核，在那儿结合并激活特定基因表达而发挥其在免疫和炎症反应中的功能。
4.囊性纤维化
遗传病囊性纤维化是由细胞膜上称之为囊性纤维化跨膜传导调节蛋白(CFTR)的氯离子通道功能性地缺失所引起。这种缺失是由于囊性纤维化病人细胞中合成的CFTR蛋白缺失苯丙氨酸，不能进行正确的折叠而被转运，而是通过泛素介导的蛋白质降解系统降解。没有功能性氯离子通道的细胞不能通过其细胞膜转运氯离子而导致病变。
泛素介导的蛋白质降解系统与细胞功能关系的了解也促使了其在药物研究上的应用。可以针对泛素介导降解系统的组分设计药物以防止特定蛋白质的降解，也可设计药物激发该系统去摧毁不想要的蛋白质。一种称为Velcade的蛋白酶体抑制物已被用于多发性骨髓瘤作为临床试验药物。
科学上的每一个重大发现，都会使人类在从必然到自然的进程中迈出一大步。泛素介导的蛋白质降解系统的发现使人们有可能在分子水平上了解细胞如何控制许多非常重要的生物化学过程。我们可以期待，随着研究的不断深入，必定会有更多的细胞过程发现与这一系统密切相关。
*明镇寰教授为生物化学与分子生物学名词审定委员会委员。