泛素酶：泛素化研究的基石，PROTAC开发的核心

泛素酶与PROTAC

蛋白质作为生命活动的主要承担者，在完成使命后需要及时启动降解和清除。如果在这个过程中出现问题，就会引发一系列疾病，最典型的当属神经退行性疾病，如阿尔茨海默症、帕金森、亨廷顿病等。

人体细胞降解蛋白质的主要途径有泛素-蛋白酶体系统（UPS）和溶酶体-自噬通路。PROTAC是一种新兴治疗方式，利用UPS选择性的靶向降解疾病相关的蛋白质，调节小分子药物难靶向的“不可成药”靶点。因此，PROTAC概念自2001年首次报道以来，受到科研界和药企的广泛关注。

SignalChem Biotech（义翘神州全资子公司）凭借20多年为泛素研究提供高活性重组酶蛋白和底物的经验，已成功开发泛素、E1泛素激活酶、E2泛素结合酶、E3泛素连接酶、去泛素化酶等一系列产品。

“一键三连”泛素化

研究发现80%-90%的蛋白质降解由泛素-蛋白酶体系统（UPS）介导完成。

UPS俨然是人体的一个蛋白质“垃圾处理站”。泛素“一键锁定”靶蛋白，标记为待处理的垃圾，即“泛素化”。通过E1泛素激活酶、E2泛素结合酶、E3泛素连接酶实现“三连击”，将靶蛋白进行集中处理，接收信号并降解靶蛋白。

泛素-蛋白酶体系统

（源自文献：doi: 10.1038/s41568-021-00365-x）

泛素，因其广泛存在于真核生物的各类细胞中而得名。泛素在人类基因组中有4个基因编码：UBB、UBC、UBA52和RPS27A。其中RPS27A和UBA52编码单拷贝的泛素，与核糖体蛋白L40和S27a形成融合蛋白。UBB和UBC则表达多拷贝泛素前体。成熟的泛素有76个氨基酸且高度保守，其中甲硫氨酸和赖氨酸对于泛素链形成尤为重要。

泛素酶的接力：E1泛素激活酶催化泛素并通过巯酯键结合在一起，随后E2泛素结合酶通过巯基置换，取代E1，将泛素结合到E2上。泛素化的E2蛋白和E3泛素连接酶以及底物形成复合体。在E3的催化作用下，将泛素的羧基末端与靶蛋白赖氨酸残基间形成氨基异肽键，从而将泛素转移到靶蛋白上。最后通过26S蛋白酶体降解泛素化标记的蛋白质。

泛素化过程中的关键酶

E1泛素激活酶

E1进化上保守，属于ATP依赖酶，通过与泛素C端形成高能硫脂键而激活泛素。在结构上E1可以被分为4个功能区：腺苷化结构区（催化ATP与泛素形成泛素腺苷酸中间体）、半胱氨酸催化区（催化泛素和半胱氨酸形成巯酯键）、4HB（维持E1结构）、泛素折叠区（招募特异性的E2蛋白）。在人体中E1泛素激活酶除了UBA1和UBA6，还有其它结构类似的蛋白，同样具有E1激活酶的作用，如UBA2、UBA3、UBA4、UBA7等。

E2泛素结合酶

大约有40余种，在结构上具有UBC结构域，还有3个loop环，loop1和loop2是E3酶的结合区，loop3含有半胱氨酸，是泛素结合区。E2突变与疾病发生相关，如UBE2D2/3、UBE2L3、UBE2N和UBE2R1与帕金森症密切相关，UBE2L3和类风湿关节炎等自身免疫病相关，UBE2C、UBE2D与不同肿瘤发生机制相关。

E3泛素连接酶

目前已超过600多种。按照结构可以分为3类：RING E3、HETC E3和RBR E3连接酶。E3连接酶和底物直接相关，在体内生物学功能中发挥重要作用。E3连接酶的突变与多种疾病相关，如MDM2通过影响p53的稳定性调控癌症进展。Parkin功能缺失导致线粒体外膜蛋白无法正常代谢，进而引发帕金森病。E3连接酶BRCA1是乳腺癌的标志物之一。

PROTAC：让泛素化实现临床转化

泛素化调节蛋白质的稳定性、功能、亚细胞定位及相互作用，广泛参与免疫反应调控、DNA损伤修复、细胞周期调控、细胞增殖凋亡等几乎所有的生命活动。一旦失调将可能引发癌症、免疫疾病、神经退行性疾病、代谢综合征等病变。

靶向蛋白降解嵌合体（PROTAC）利用细胞的天然泛素-蛋白酶体系统，选择性地降解致病蛋白质，调节传统小分子难以靶向的“不可成药”蛋白。

PROTAC通过两个连接子（Linker）连接的配体形成异双功能小分子降解剂，一端负责结合目的蛋白（POI），另一端招募并结合E3泛素连接酶。PROTAC同时结合目的蛋白和连接酶，形成E3-降解剂-POI三元复合物诱导目的蛋白泛素化，并随后被26S蛋白酶体降解，进而实现抑制肿瘤生长的目标。整个过程中PROTAC分子可以重复回收利用，靶向目的蛋白。

PROTAC结构示意图

（源自文献：doi: 10.1016/j.csbj.2023.02.042）

设计有效的PROTAC关键是选择对E3连接酶亲和力足够高的E3配体，且在不影响其泛素化活性的情况下招募功能活跃的E3连接酶。目前PROTAC广泛使用CRBN和VHL两种E3连接酶。新的PROTAC适用E3连接酶也在发现和开发中，如DCAF2、TRIM、KLHL、RNF等。

可用于PROTAC专用的E3连接酶

（源自文献：doi: 10.1038/s41573-021-00371-6）

✦泛素解决方案

SignalChem Biotech（义翘神州全资子公司）凭借20多年为泛素研究提供高活性重组酶蛋白和底物的经验，持续助力您的研究：

- 如果您需要靶向蛋白降解（TPD或PROTAC）研究的帮助，我们提供高活性的E3泛素连接酶，如CRBN、VHL、RNF34及Cereblon/DDB1/Cul4A/Rbx1复合体等。

- 我们还提供高活性的E1泛素激活酶、E2泛素结合酶、去泛素化酶和泛素及泛素样蛋白。

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总之，SignalChem Biotech拥有市面上种类齐全的泛素研究相关产品，包括泛素、泛素酶、去泛素化酶、蛋白酶体、泛素样蛋白及底物。

重点产品推荐：

Cereblon/DDB1/Cul4A/Rbx1 Complex | Cat#: U273-380H

PROTAC介导的BRD3泛素反应验证E3泛素连接酶CRBN的活性

【参考文献】

1. Brandon Dale, et al. Advancing targeted protein degradation for cancer therapy. Nature Reviews Cancer

2. Tin M. Tunjic, Noah Weber, Michael Brunsteiner. Computer aided drug design in the development of proteolysis targeting chimeras. Computational and Structural Biotechnology Journal

3. Miklós Békés, David R. Langley and Craig M. Crews. PROTAC targeted protein degraders: the past is prologue. Nature Reviews Drug Discovery