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泛素化调节真核细胞中的大多数蛋白质和生物过程。在哺乳动物细胞中，泛素化存在100,000个位点，并由大约640种泛素化酶和约90种去泛素化酶可逆控制。尽管泛素化已被广泛研究，但仅有少数特异性位点被量化。2024年4月15日丹麦哥本哈根大学（University of Copenhagen）Chunaram Choudhary团队在Cell上发表了题为“Global, site-resolved analysis of ubiquitylation occupancy and turnover rate reveals systems properties”的研究文章。研究人员利用蛋白质组学定量检测了人HeLa细胞的泛素化位点占用率和半衰期，不但发现不同翻译后修饰（PTM）的占用率以及泛素化、mRNA和蛋白质的半衰期存在差异，还发现一种可以快速、不加区别地对所有泛素结合的E1和E2酶进行去泛素化的监测机制，为进一步研究泛素化动态控制细胞过程的复杂机制奠定了基础。
英文标题：Global, site-resolved analysis of ubiquitylation occupancy and turnover rate reveals systems properties（Cell，IF=64.5，2024）
中文标题：蛋白质组水平系统解析泛素化修饰的分布与动态
研究材料：人源HeLa细胞
组学技术：泛素化修饰蛋白组学
摘要图：
图1| 摘要图
(图源：Prus G, et al., Cell., 2024)
01
主要研究结果
1
泛素化位点占用率低，动态范围大
研究人员在基于SILAC同位素的相对质谱定量中，利用LC-MS/MS进行了7次生物学重复，鉴定到34,247个位点，发现泛素化的总体位点占有率非常低，中位数仅为0.0081%。与其它广泛发生的修饰相比（磷酸化、乙酰化和N-糖基化），泛素化的位点占用率最低，而磷酸化的中位占有率（28%）比泛素化高>3个数量级，N-糖基化则表现出最高的占用率。这种巨大差异凸显出这些PTMs是基于不同的原则来运行的，这可能导致它们在功能、位置或存在情况等方面的不同（图2）。
图2| 泛素化位点占用率极低
2
泛素化位点转化速度快，特异性半衰期短
为了确定位点特异性去泛素化动力学，用TAK-243处理细胞5、10、30和60分钟，并使用基于SILAC的质谱定量泛素化的变化。泛素化位点被分为“非常快”、“快”、“慢”和“非常慢”四类，分别对应于<5、5 15="" -="">60分钟的半衰期。HeLa中全局泛素化位点的半衰期非常短(中位约12分钟)，但个别位点表现出相当大的变异性。值得注意的是，在这些蛋白质中，最快的周转位点显示出最高的占用率，突出了泛素连接酶和/或DUB的显著选择性。此外，与先前报道的mRNA和蛋白质的半衰期进行比较，泛素化的周转速度比mRNA和蛋白质快得多。mRNA、蛋白质和泛素化半衰期的巨大差异表明转录、翻译和翻译后层面存在不同时间尺度的调节（图3）。
图3| 泛素化位点半衰期很短
3
蛋白酶体非依赖性的全局去泛素化
为了研究蛋白酶体活性在去泛素化中的作用，研究人员检测了细胞中的去泛素化，发现即使蛋白酶体受到抑制，蛋白质也会迅速去泛素化，这表明蛋白酶体靶向底物的去泛素化可以独立于蛋白酶体活性发生，推测这种机制有助于维持泛素化的信号传导，减轻蛋白酶体受损引起的蛋白毒性应激（图4）。
图4| 蛋白酶体活性对全局去泛素化不是必需的
4
高占有位点集中在质膜受体中
接下来研究人员探索哪些蛋白质具有最高的泛素化位点，发现高占有率（>0.5%）位点在与质膜（PM）和跨膜（TM）转运蛋白活性相关的基因本体（GO）术语中显著富集，这些位点被发现集中在质膜相关溶质载体（SLC）蛋白的细胞质结构域中，SLC蛋白负责各种分子穿过细胞膜的运输，这表明高占有率泛素化位点的不均匀分布，主要集中在质膜受体中，反映出泛素化在受体转运和信号传导调控中的重要性（图5）。
图5| 高占有率泛素化位点集中在质膜受体的细胞内结构域
5
参与核糖体相关质量控（RQC）的位点显示出高占用率和快速周转率
泛素化已成为核糖体相关蛋白质质量控制（RQC）的关键调节因子。为判断RQC相关位点的特性是否可以将其与核糖体中的其他位点区分开来，研究人员在形成细胞质核糖体的蛋白质中共鉴定出863个位点，并量化了其中大多数位点的占有率和半衰期，与非核糖体蛋白相比，核糖体蛋白中的位点具有明显更短的半衰期和更低的占用率，并且较少被蛋白酶体抑制剂上调，使它们区别于核糖体外的大多数泛素化位点。引人注目的是，与RQC相关的位点显示出明显的高占用率和较短的半衰期，并且它们的泛素化不会因蛋白酶体抑制而增加，表明它们具有非蛋白酶体功能。
图6| 参与核糖体相关质量控制（RQC）的位点显示出高占用率和快速周转率
6
泛素特异性E1和E2超快速去泛素化
最后，研究人员还研究了哪些蛋白质去泛素化最快，发现了半衰期快的位点在“泛素结合酶活性”方面富集程度高，而半衰期长的位点在“ATP依赖活性”、“作用于DNA的ATP依赖活性”和“囊泡腔”中富集程度高。有趣的是，只有泛素特异性E1s和E2s表现出快速的半衰期；E3s和DUP的半衰期没有显著差异。泛素化在所有细胞系中都表现出较速周转率，并且位点半衰期在细胞系之间有显著的相关性，这种机制可以快速、不加区别地对所有泛素特异性E1和E2酶进行去泛素化，表明细胞已经进化出一个专门的系统来保护这些关键的泛素结合酶免受其他途径泛素化的潜在影响，以避免损伤它们的功能。
图7| 泛素特异性E1和E2酶的去泛素化速度快
02
澳门葡萄新京小结
本研究绘制了全局泛素化位点占用率和半衰期的综合图谱，发现泛素化位点占用率非常低，并且受到泛素分子数量的固有限制，导致泛素化系统以低丰度和快速周转的原则运作。泛素化位点占有率的中位数比磷酸化位点低三个数量级。高占用位点集中在SLC蛋白的细胞质结构域。此外，还发现一种机制可以快速且不加选择地去泛素化所有泛素特异性E1和E2酶。这些发现揭示了泛素化的一般特性和泛素化依赖性细胞调节的原理。澳门葡萄新京进入网址作为一家国内领先的多组学公司，已研发并建立了完善成熟的蛋白组学、代谢组学以及多组学联合产品技术服务体系，在泛素化研究领域也积累了丰富的经验，欢迎致电咨询！
参考文献：
Prus G, Satpathy S, Weinert BT, Narita T, Choudhary C. Global, site-resolved analysis of ubiquitylation occupancy and turnover rate reveals systems properties. Cell. 2024 Apr 8. doi: 10.1016/j.cell.2024.03.024.
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