泛素化在生殖領域中的研究進展

于佳瑞 叢 晶 張 茗 吳效科

1.黑龍江中醫(yī)藥大學，黑龍江哈爾濱 150040；2.黑龍江中醫(yī)藥大學附屬第一醫(yī)院婦科一科，黑龍江哈爾濱 150040；3.中國中醫(yī)科學院望京醫(yī)院感染控制管理科，北京 100102

泛素（UB）分子量為8.5 kDa，含76 個氨基酸殘基，是一類高度保守的小分子量蛋白。泛素化是指泛素在一些特殊酶的作用下，將細胞內的蛋白進行靶向分類及特異性修飾的過程。此外，還在各種細胞生命活動中起著重要作用，如信號傳導、免疫應答、轉錄翻譯等[1]。在生殖方面，泛素-蛋白酶體降解途徑（UPP）的調控異常會導致胚胎發(fā)育異常，精子畸形及精子活力降低，影響胚胎著床，并引發(fā)少精子癥、不育及睪丸腫瘤等。因此，泛素化的深入研究能進一步了解生殖過程，對治療人類不孕不育具有重要意義。

1 泛素-蛋白酶體降解途徑

泛素-蛋白酶體降解途徑（UPP）由UB、泛素激活酶（E1）、泛素結合酶（E2）、泛素連接酶（E3）、26S 蛋白酶體和去泛素化酶（DUB）組成[2]，是細胞中蛋白質選擇性降解的重要途徑之一，主要降解被泛素修飾的蛋白。UB 標記的蛋白會被蛋白酶體水解，或被細胞內吞噬。被錯誤標記的蛋白會因DUB 作用，避免被降解。泛素分子在腺苷三磷酸（ATP）供能的情況下，通過E1、E2、E3 相互作用，與靶蛋白結合，經多個循環(huán)形成一條多聚泛素鏈，多個泛素修飾的靶蛋白最終被26S 蛋白酶體識別并降解[3]。UPP 調控不同信號通路蛋白質的表達，在不同生物過程中發(fā)揮作用，同時在生殖細胞發(fā)育的各階段均有表達。

2 泛素化過程中的相關酶

2.1 泛素活化酶E1

泛素的活化需要ATP 作為能量，E1 將活化后的泛素通過交酯化過程傳遞給E2。E1 在哺乳動物細胞中最被熟知的是泛素活化酶（UBA）1 和UBA6。UBA1常見于蛋白質降解通路中，UBA1 抑制劑可引起細胞功能顯著性改變[4]。UBA6 在人類細胞系和組織中有廣泛表達，但功能尚未明確。

2.2 泛素結合酶E2

E2 是負責UB 與細胞蛋白連接核心參與者。人類具有約40 個參與UB 蛋白轉移的E2[5]。E2 主要參與以下2 種類型的反應：轉運（從硫酯轉移到硫醇基團）和氨解（從硫酯轉移到氨基）。此外，E2 也可以直接調節(jié)泛素化相關酶的活性[5]。其中泛素結合酶（UBE）2C、UBE2S、UBE2D 能調節(jié)小鼠卵母細胞減數分裂，促進卵母細胞染色體分離[6]。

2.3 泛素-蛋白連接酶E3

E3 是一個龐大的家族，目前發(fā)現已超過600 個。目前在生殖系統(tǒng)中Cullin 蛋白（CUL）1 和胚胎的早期發(fā)育直接相關，CUL-3 與精子發(fā)生、雄性不育密切相關[7-8]；CUL-2、CUL-5 與卵巢的發(fā)育有關[9]。

3 泛素化對生殖功能的影響

3.1 泛素化與雌孕激素受體

女性排卵、卵母細胞發(fā)育及子宮內膜的周期性變化均受雌孕激素的調控。雌孕激素的正常周期性變化對女性生殖至關重要。雌孕激素在與其受體的特異性結合后，發(fā)揮生物學效應及基因調控機制，調節(jié)下游基因的轉錄。雌激素受體（ER）和孕激素受體（PR）在細胞核中需要與其他蛋白或協(xié)同因子相互作用來調控靶基因的表達。作為生殖過程的關鍵調節(jié)因子，ER和PR 蛋白都經歷了不同的修飾性反應。泛素化可以改變其相互協(xié)同作用的穩(wěn)定性、亞細胞定位以及親和力，從而影響這些受體的功能。泛素結合酶E2（UBCH7）對ER/PR 受體依賴性的轉錄活動至關重要[10]。UBCH7的表達能增強PR 轉錄的協(xié)同作用[11]。泛素連接酶E3A（UBE3A）過表達或敲除能夠改變雌激素和孕酮受體水平。ER 是一種泛素化蛋白也屬于UB 的信號網絡，與雌激素結合后，迅速泛素化和降解。泛素連接酶（MDM2）和人乳頭瘤病毒E6 相關蛋白（E6AP）也能促進雌激素誘導的轉錄活性。去泛素化酶（UPS）中的核心成員各種選擇性識別特定底物的F-BOX 蛋白廣泛存在于生殖細胞及胚胎中，而雌激素在一些生理過程中與F-BOX 蛋白共同發(fā)揮作用，其中17α-乙炔雌二醇（EE2）能夠不同程度地影響F-BOX 蛋白表達[12]。因此，適當調控關鍵信號蛋白活性對妊娠有至關重要的作用。

3.2 泛素化與卵母細胞

卵母細胞中轉錄水平的改變不顯著，UBS 是翻譯后修飾的重要途徑。F-BOX 蛋白通過泛素化過程調控上皮細胞-間充質轉化（EMT）、細胞周期及凋亡中的關鍵分子，進而在卵母細胞中發(fā)揮重要功能[13]。DUB 可以水解泛素及結合的底物，與新的靶蛋白結合。此外，能修飾加工泛素前體，對蛋白酶體內以及胞質內泛素鏈進行水解，維持泛素分子在細胞內的庫存和循環(huán)利用。泛素羧基末端水解酶（UCH）屬于是DUB 家族。對UCH 的研究中主要集中在UCHL1 和UCHL3。UCHL1 和UCHL3 在哺乳動物卵母細胞中表達量最高[14]。在小鼠卵母細胞成熟過程中，UCHL1 和UCHL3 分別通過調節(jié)皮質和減數分裂期紡錘體來影響卵母細胞的成熟[15]。在雌激素的作用下，UCHL1 也與卵細胞的凋亡相關[16]。減數分裂的卵母細胞作為雌性配子提供了一半的基因組及受精和胚胎早期發(fā)育的所有儲存。卵母細胞減數分裂缺乏從頭到尾的mRNA 轉錄。因此，蛋白水平的調控，尤其是UPS 的調控更為關鍵。F-box 蛋白的新成員Fbxo30 在小鼠卵母細胞中富集，表達水平在第一次減數分裂中期（MI）后顯著下降[17]。E2 酶UBE2C 能調控小鼠卵母細胞減數分裂過程中APC/C 活性[18]。

3.3 泛素化與精子發(fā)生

受精是一個復雜的級聯過程，受精從精子在輸卵管精子庫中的獲能開始，從配子識別、精子-透明帶相互作用、精子-卵膜粘連和融合，到精子結合、卵母細胞活化、原核發(fā)育和胚胎分裂。泛素化系統(tǒng)在人類和動物精子發(fā)生過程中對頂體和尾部的生物發(fā)生起著重要的調控作用，并參與許多精子相關過程。受精過程中配子結構的正常功能、循環(huán)和重構得益于整個泛素化系統(tǒng)[19]。UPS 的失調會導致精子畸形和精子活力下降，引起生殖系統(tǒng)疾病[20]。UBA1 抑制劑能在獲能期間改變頂體膜重塑。此外，在獲能后，頂體蛋白酶體促進透明帶糖蛋白的降解，導致受精。UPS 通過泛素化調節(jié)DNA 修復酶參與精子發(fā)生中的DNA 修復，協(xié)助鑒定DNA 損傷位點，提高損傷修復相關蛋白，啟動DNA 修復途徑，維持染色體穩(wěn)定性以確保正常精子形成[21-22]。動物實驗也證實，精子泛素化與遺傳DNA 缺陷相關[23]。USP24 是受雄激素受體（AR）調控的靶基因，蛋白在小鼠成熟精子上有表達，表達水平升高與小鼠的性發(fā)育相關。說明USP24 可能參與調控小鼠的精子發(fā)生過程[24]。泛素是男性精液的重要組分，有調查顯示在男性不育患者體內泛素含量明顯增加，而伴隨著精液中泛素含量的增加，精子的形態(tài)、數量和活動能力均有所下降。提示，泛素可以作為衡量精子質量的一項指標[25]。

3.4 泛素化與胚胎發(fā)育

胚胎發(fā)育不良是導致體外受精失敗的主要原因之一。植入前胚胎發(fā)育的第一個必要事件是在母體-合子轉變（MZT）期間發(fā)生的母體RNA/蛋白質降解和合子基因組激活（ZGA）。UPS 在MZT 過程中對母體蛋白的清除起著至關重要的作用[26]。特別是UPS 通過多種方式調控轉錄，包括蛋白水解和非蛋白水解，從染色質結構水平到基因表達調控[27-28]。小鼠早期胚胎中，為了ZGA 和MZT 的正常進展，UPS 需要對母體蛋白進行順序降解。泛素化連接酶（HUWE1）是泛素化過程的關鍵酶類[29]。在早期胚胎發(fā)育中作用的實驗研究發(fā)現，在植入前小鼠胚胎的細胞核和細胞質以及配子中均有表達，而且表達量受氧化應激的調控。HUWE1基因敲除組胚胎發(fā)育受到抑制，囊胚形成減少，凋亡細胞數量增加。進一步檢驗HUWE1 表達是否與人類胚胎發(fā)育相關后發(fā)現，質量較差的胚胎HUWE1 染色明顯減少，流產胚胎絨毛中HUWE1 的表達明顯減少[30]。綜上所述，HUWE1 蛋白可能參與著床前胚胎發(fā)育，而HUWE1 蛋白表達失調可能與體外移精-胚胎移植（IVF-ET）臨床胚胎發(fā)育不良及流產有關?？傮w看來，泛素化連接酶HUWE1 對于胚胎發(fā)育具有重要作用，HUWE1 異常調節(jié)可能會提高胚胎異常發(fā)育風險和臨床上IVF 的流產率[31]。

人類和小鼠的泛素蛋白連接酶Q1（UBE2Q1）具有98%的一致性，小鼠UBE2Q1 是一種活性E2 類UB結合酶。這種蛋白n 端末端對尿嘧啶核苷二磷酸半乳糖（UDPGal）的結合和內化至關重要。UBE2Q1 在內細胞團（ICM）和早期囊胚的滋養(yǎng)層細胞中均有表達，提示UBE2Q1 在女性生殖和胚胎植入過程中起著一定的作用，并且涉及到女性生育能力的不同方面[32]。泛素連接酶9（UBC9）是小泛素相關修飾蛋白（SUMO）循環(huán)通路中唯一的E2 結合酶，參與了有絲分裂中至關重要的過程，包含維持染色體的完整性及解離、細胞周期進程、著絲點聚集及胞質分裂[33]。UBC9 在早期發(fā)育階段極其重要，小鼠UBC9 缺失將導致著床早期胚胎致死，并導致胚囊內細胞團選擇性的凋亡。有學者發(fā)現泛素化蛋白的基因編碼人泛素-52 氨基酸融合蛋白（UBA52）能調控細胞生命和胚胎發(fā)育。UBA52 的核糖體結構域產生核糖體蛋白復合體，同時UBA52 泛素結構域同時產生核糖體復合體泛素化。因此，UBA52 是核糖體蛋白復合物的雙重調控因子。綜上所述，這些發(fā)現從分子角度進一步解讀了泛素相關蛋白的合成和胚胎發(fā)育的關系[34]。

4 結語

泛素化在蛋白質的定位、代謝、調節(jié)和降解等方面中都起至關重要的作用。同時也參與了細胞周期、增殖凋亡、基因表達、轉錄調節(jié)、信號傳遞、損傷修復等有關生命活動的調控。對泛素化與與腫瘤、心血管系統(tǒng)等疾病發(fā)病機制的研究逐漸成為開發(fā)新藥物的新靶點。隨著生物化學和遺傳生物學領域研究的不斷深入，泛素化與生殖領域的關系也取得了新的突破，多種E2、E3 家族的成員參與了哺乳動物的精子獲能、卵母細胞成熟、胚胎發(fā)育等過程。由此我們可以推測，其與流產、不孕不育、少精子癥等生殖系統(tǒng)疾病具有相關性。然而，目前研究僅局限在動物模型層面，缺少臨床研究，在動物實驗基礎上推導的結論及假說有待驗證。