与诺奖大师对话，揭秘医学奥秘

近年，一方面随着世界技术革命的突飞猛进，分子生物学、细胞生物学、生物工程、组合化学、超微量分离分析技术和药物分子设计、计算机科学等学科的迅速发展，为寻找新药提供了新的作用靶点、新的作用机制、新的技术方法，使药物研究领域出现了崭新的面貌；另一方面，随着国际药品市场竞争的日趋激化，许多跨国制药集团加强国际合作，强强联合、重组联合，进一步强化了新药研究开发的力度，投入新药研究开发的费用增至销售额的15%～20 %，组织庞大的科技队伍，不断扩大研究领域，将生物医学基础学科研究出现的新理论、新技术迅速运用到新药研究之中，如定向设计各种靶分子，研究成功了受体的阻滞剂和兴奋剂、酶的抑制剂与激活剂以及通道的阻滞剂等一系列新药，在当今发现新药越来越困难的情况下，使世界每年首次上市的新药仍能保持在40～50个左右，1998年上市新药仅38个，但有关分析认为多数量虽少，质量较高。其中日本约占1/3，美国占1/5，欧共体10国占1/3。我国虽在实施药品专利与行政保护后，重视与加强了创新药物的研制，但力度太小，投入太少，短期内难见成效，90年代上市新药仅有2个，所占世界份额极低。

近年各国新药研究开发的重点与热点集中在抗感染药、心血管病药、抗肿瘤药和神经精神系统药，它们排列在上市新药的前四位。我国上市新药中前三位的类别依次为抗感染药、心血管病药与解热镇痛药，与国外有一定差异。

生物技术药物是世界各国研究开发的热点，据统计，美国正式投放市场的生物工程药物达40余种，进入临床试验的有300多种。我国生物技术的研究开发起步较晚，但跟踪仿制，发展迅速。经过10多年的努力，在基础设备，尤其是在上游、中试方面缩小了与国外的差距，目前已有10多种基因工程药物和1种疫苗批准上市，已基本做到国外有的产品我国也已上市或正在研究开发中。

泛素化是指泛素（一类低分子量的蛋白质）分子在一系列特殊的酶作用下，将细胞内的蛋白质分类，从中选出靶蛋白分子，并对靶蛋白进行特异性修饰的过程。这些特殊的酶包括泛素激活酶，结合酶、连结酶和降解酶等。泛素化在蛋白质的定位、代谢、功能、调节和降解中都起着十分重要的作用。同时，它也参与了细胞周期、增殖、凋亡、分化、转移、基因表达、转录调节、信号传递、损伤修复、炎症免疫等几乎一切生命活动的调控。泛素化与肿瘤、心血管等疾病的发病密切相关。因此，作为近年来生物化学研究的一个重大成果，它已然成为研究、开发新药物的新靶点。

【过程】

具体过程：泛素化修饰涉及泛素激活酶E1、泛素结合酶E2和泛素连接酶E3的一系列反应:首先在ATP(红色所示)供能的情况下酶E1(蛋白质编号1r4n)粘附在泛素分子尾部(淡黄色所示)的Cys残基上(绿色所示,注意在这个结构中,Cys突变为Ala)激活泛素,接着,E1将激活的泛素分子转移到E2酶上(蛋白质编号1fxt),随后,E2酶和一些种类不同的E3酶共同识别靶蛋白,对其进行泛素化修饰。根据E3与靶蛋白的相对比例可以将靶蛋白单泛素化修饰和多聚泛素化修饰。E3酶(蛋白质编号1ldk和1fqv)的外形就像一个夹子,靶蛋白连接在中间的空隙内(星号所示)。酶的左侧结构域决定靶蛋白的特异性识别,右侧结构域定位E2酶以转移泛素分子。蛋白质泛素化的结果是使得被标记的蛋白质被蛋白酶分解为较小的多肽、氨基酸以及可以重复使用的泛素。

【蛋白质降解】

泛素-蛋白酶体途径是先发现的，也是较普遍的一种内源蛋白降解方式。需要降解的蛋白先被泛素化修饰，然后被蛋白酶体降解。

不过后来又发现，并非所有泛素化修饰都会导致降解。有些泛素化会改变蛋白的活性，导致其他的生物效应，如DNA损伤修复，机体免疫应答等。

【蛋白质泛素化】

蛋白质泛素化作用是后翻译修饰的一种常见形式，该过程能够调节不同细胞途径中各式各样的蛋白质底物。通过一个三酶级联（E1-E2-E3），蛋白质的泛素连接由E3泛素连接酶催化，这种酶是cullin-RING复合体超级家族的最佳代表。

在从酵母到人类的各级生物中都保守的DDB1-CUL4-ROC1复合体是最近确定出的cullin-RING泛素连接酶，这种酶调节DNA的修复、DNA复制和转录，它能被病毒所破坏。

由于缺少一个规则的SKP1类cullin连接器和一种确定的底物召集结构域，目前人们还不清楚DDB1-CUL4-ROC1 E3复合体如何被装配起来以对各种蛋白质底物进行泛素化。

在这项新的研究中，DDB1-CUL4A-ROC1复合体被病毒劫持的形式进行了晶体结构分析。分析结果表明DDB1利用一个β-propeller结构域作为cullin骨架结合物，利用一种多变的、附着的独立双β-propeller折叠来进行底物的呈递。(www.xing528.com)

通过对人类的DDB1和CUL4A复合体进行联系提纯，然后进行质谱分析，研究人员确定出了一种新颖的WD40-repeat蛋白家族，这类蛋白直接与DDB1的双propeller折叠结合并充当E3酶的底物募集模块。这些结构和蛋白质组学研究结果揭示出了cullin-RING E3复合体的一个新家族的装配和多功能型背后的结构机制和分子逻辑关系。

【泛素化类型】

E1,E2,E3对底物的泛素化可形成几种不同的泛素化底物。有的底物蛋白只能被单泛素化，如H2B；有的底物蛋白有多个赖氨酸残基，在合适条件下会被多位点单泛素化；还有一些蛋白在单个赖氨酸位点会形成多聚泛素链，这种多聚泛素链可以根据连接泛素链的赖氨酸位点的不同可以分为单一、混合以及树枝状的结构。

【作用】

p53稳定性的变化与其功能调解密切相关 ,严密调节p53的代谢稳定性对正常细胞的生长发育非常重要。p53为一短半衰期转录因子 , p53蛋白的转换由泛素依赖的蛋白水解途径调节[3]。本研究结果表明 ,p53N端与降解有关的片段不能与其转录活性片段相分离 ;抑制或破坏泛素蛋白酶体水解通路对转录反应无普遍作用 ,但可特异性抑制p53的转录反应。本研究非常有意义的发现是 ,在蛋白酶体抑制剂存在或泛素化途径缺失时 , p53稳定性增强 ,细胞内p53蛋白水平增加 ,然而p53的转录活性却降低。即泛素蛋白酶体水解途径被抑制时 , p53的转录功能也受到破坏 ,说明p53的蛋白水解途径对其转录反应是必须的 ,两过程存在功能性联系。此发现提示 ,泛素蛋白酶体调节的蛋白降解通路在p53转录中发挥重要的作用。以往研究中 ,在甲状腺受体及雌激素调节的转录过程也发现同样的规律[1 0 , 1 1 ]。我们推测 ,至少在某些细胞内活性蛋白 ,泛素蛋白酶体水解通路在转录激活及基因表达调节中发挥重要的作用。该发现对于细胞生长、分化的调节及疾病的诊治 ,如保留p53的活性 ,预防和治疗肿瘤将具有重要的意义。

p53泛素蛋白水解过程与转录激活过程间的生化学联系 ,还不甚清楚。研究支持以下的设想 ,某些细胞因子连接并参与这两个过程。有研究表明转录辅助激活因子p3 0 0 /CBP在p53的转录反应中发挥重要的作用,而p3 0 0 /mdm2复合体还参与mdm2调节的p53降解反应 , p53、mdm2、p3 0 0C/H1特异性的相互作用为mdm2调节的p53转换过程的重要步骤[1 3]。我们在近期研究中发现 ,p3 0 0通过连接泛素化和降解过程 ,在mdm2调节的p53转换中发挥重要的作用[6]。上述结果提示 ,转录激活因子p3 0 0 /CBP在 p53泛素蛋白水解与转录激活过程的细胞内联系中 ,具有重大意义。当然我们也 不能排除其它细胞因子如mdm2等在该过程中所起的作用 ,详尽的分子机制有待于进一步的研究。

----文章来自(解剖科学进展 2002年第4期第卷 大连医科大学药理教研室；美国俄亥俄州立大学细胞生物化学系；大连医科大学生物化学教研室 辽宁大连116027　姚继红；Qianzheng Zhu；A A Wani；杨佩满；崔秀云)

Damaged DNA时，激活ATM，活化的ATM使p53发生磷酸化，而激活。磷酸化的p53使细胞在G1期出现生长停滞，进行DNA修复。如修复失败，则通过活化bax基因使细胞进入凋亡，以保证基因组的遗传稳定。

使依赖P53的周期素依赖激酶（CDK）抑制者P21和DNA修复基因（growth arrest and DNA damage 45,GASS45)上调性转录。注：GASS45图中未标识出来。

Rb蛋白通过脱磷酸而活化，与E2F家族结合，阻断了DNA上的S期基因的转录。反之，磷酸化的Rb蛋白与E2F分离，使得E2F与DP1蛋白形成异二聚体，活化S期基因的转录。注：DP1未标出。

Cyclin D1通过与CDK4 激酶作用使Rb 蛋白磷酸化，调节细胞周期G1~S 的过渡，是G1期细胞增殖的关键蛋白。PCNA促进此致癌的过程。

bcl-2（B-cell lymphoma/leukemia,bcl)，这一家族的成员主要是抑制细胞凋亡而不是促进细胞增殖。