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）
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【参考文献】
1. Brandon Dale, et al. Advancing targeted protein degradation for cancer therapy. Nature Reviews Cancer, https://doi.org/10.1038/s41568-021-00365-x
2. Tin M. Tunjic, Noah Weber, Michael Brunsteiner. Computer-aided drug design in the development of proteolysis targeting chimeras. Computational and Structural Biotechnology Journal, https://doi.org/10.1016/j.csbj.2023.02.042
3. Miklós Békés, David R. Langley and Craig M. Crews. PROTAC targeted protein degraders: the past is prologue. Nature Reviews Drug Discovery, https://doi.org/10.1038/s41573-021-00371-6
