泛素化在生殖领域中的研究进展

于佳瑞 丛 晶 张 茗 吴效科

1.黑龙江中医药大学，黑龙江哈尔滨 150040；2.黑龙江中医药大学附属第一医院妇科一科，黑龙江哈尔滨 150040；3.中国中医科学院望京医院感染控制管理科，北京 100102

泛素（UB）分子量为8.5 kDa，含76 个氨基酸残基，是一类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，将细胞内的蛋白进行靶向分类及特异性修饰的过程。此外，还在各种细胞生命活动中起着重要作用，如信号传导、免疫应答、转录翻译等[1]。在生殖方面，泛素-蛋白酶体降解途径（UPP）的调控异常会导致胚胎发育异常，精子畸形及精子活力降低，影响胚胎着床，并引发少精子症、不育及睾丸肿瘤等。因此，泛素化的深入研究能进一步了解生殖过程，对治疗人类不孕不育具有重要意义。

1 泛素-蛋白酶体降解途径

泛素-蛋白酶体降解途径（UPP）由UB、泛素激活酶（E1）、泛素结合酶（E2）、泛素连接酶（E3）、26S 蛋白酶体和去泛素化酶（DUB）组成[2]，是细胞中蛋白质选择性降解的重要途径之一，主要降解被泛素修饰的蛋白。UB 标记的蛋白会被蛋白酶体水解，或被细胞内吞噬。被错误标记的蛋白会因DUB 作用，避免被降解。泛素分子在腺苷三磷酸（ATP）供能的情况下，通过E1、E2、E3 相互作用，与靶蛋白结合，经多个循环形成一条多聚泛素链，多个泛素修饰的靶蛋白最终被26S 蛋白酶体识别并降解[3]。UPP 调控不同信号通路蛋白质的表达，在不同生物过程中发挥作用，同时在生殖细胞发育的各阶段均有表达。

2 泛素化过程中的相关酶

2.1 泛素活化酶E1

泛素的活化需要ATP 作为能量，E1 将活化后的泛素通过交酯化过程传递给E2。E1 在哺乳动物细胞中最被熟知的是泛素活化酶（UBA）1 和UBA6。UBA1常见于蛋白质降解通路中，UBA1 抑制剂可引起细胞功能显著性改变[4]。UBA6 在人类细胞系和组织中有广泛表达，但功能尚未明确。

2.2 泛素结合酶E2

E2 是负责UB 与细胞蛋白连接核心参与者。人类具有约40 个参与UB 蛋白转移的E2[5]。E2 主要参与以下2 种类型的反应：转运（从硫酯转移到硫醇基团）和氨解（从硫酯转移到氨基）。此外，E2 也可以直接调节泛素化相关酶的活性[5]。其中泛素结合酶（UBE）2C、UBE2S、UBE2D 能调节小鼠卵母细胞减数分裂，促进卵母细胞染色体分离[6]。

2.3 泛素-蛋白连接酶E3

E3 是一个庞大的家族，目前发现已超过600 个。目前在生殖系统中Cullin 蛋白（CUL）1 和胚胎的早期发育直接相关，CUL-3 与精子发生、雄性不育密切相关[7-8]；CUL-2、CUL-5 与卵巢的发育有关[9]。

3 泛素化对生殖功能的影响

3.1 泛素化与雌孕激素受体

女性排卵、卵母细胞发育及子宫内膜的周期性变化均受雌孕激素的调控。雌孕激素的正常周期性变化对女性生殖至关重要。雌孕激素在与其受体的特异性结合后，发挥生物学效应及基因调控机制，调节下游基因的转录。雌激素受体（ER）和孕激素受体（PR）在细胞核中需要与其他蛋白或协同因子相互作用来调控靶基因的表达。作为生殖过程的关键调节因子，ER和PR 蛋白都经历了不同的修饰性反应。泛素化可以改变其相互协同作用的稳定性、亚细胞定位以及亲和力，从而影响这些受体的功能。泛素结合酶E2（UBCH7）对ER/PR 受体依赖性的转录活动至关重要[10]。UBCH7的表达能增强PR 转录的协同作用[11]。泛素连接酶E3A（UBE3A）过表达或敲除能够改变雌激素和孕酮受体水平。ER 是一种泛素化蛋白也属于UB 的信号网络，与雌激素结合后，迅速泛素化和降解。泛素连接酶（MDM2）和人乳头瘤病毒E6 相关蛋白（E6AP）也能促进雌激素诱导的转录活性。去泛素化酶（UPS）中的核心成员各种选择性识别特定底物的F-BOX 蛋白广泛存在于生殖细胞及胚胎中，而雌激素在一些生理过程中与F-BOX 蛋白共同发挥作用，其中17α-乙炔雌二醇（EE2）能够不同程度地影响F-BOX 蛋白表达[12]。因此，适当调控关键信号蛋白活性对妊娠有至关重要的作用。

3.2 泛素化与卵母细胞

卵母细胞中转录水平的改变不显著，UBS 是翻译后修饰的重要途径。F-BOX 蛋白通过泛素化过程调控上皮细胞-间充质转化（EMT）、细胞周期及凋亡中的关键分子，进而在卵母细胞中发挥重要功能[13]。DUB 可以水解泛素及结合的底物，与新的靶蛋白结合。此外，能修饰加工泛素前体，对蛋白酶体内以及胞质内泛素链进行水解，维持泛素分子在细胞内的库存和循环利用。泛素羧基末端水解酶（UCH）属于是DUB 家族。对UCH 的研究中主要集中在UCHL1 和UCHL3。UCHL1 和UCHL3 在哺乳动物卵母细胞中表达量最高[14]。在小鼠卵母细胞成熟过程中，UCHL1 和UCHL3 分别通过调节皮质和减数分裂期纺锤体来影响卵母细胞的成熟[15]。在雌激素的作用下，UCHL1 也与卵细胞的凋亡相关[16]。减数分裂的卵母细胞作为雌性配子提供了一半的基因组及受精和胚胎早期发育的所有储存。卵母细胞减数分裂缺乏从头到尾的mRNA 转录。因此，蛋白水平的调控，尤其是UPS 的调控更为关键。F-box 蛋白的新成员Fbxo30 在小鼠卵母细胞中富集，表达水平在第一次减数分裂中期（MI）后显著下降[17]。E2 酶UBE2C 能调控小鼠卵母细胞减数分裂过程中APC/C 活性[18]。

3.3 泛素化与精子发生

受精是一个复杂的级联过程，受精从精子在输卵管精子库中的获能开始，从配子识别、精子-透明带相互作用、精子-卵膜粘连和融合，到精子结合、卵母细胞活化、原核发育和胚胎分裂。泛素化系统在人类和动物精子发生过程中对顶体和尾部的生物发生起着重要的调控作用，并参与许多精子相关过程。受精过程中配子结构的正常功能、循环和重构得益于整个泛素化系统[19]。UPS 的失调会导致精子畸形和精子活力下降，引起生殖系统疾病[20]。UBA1 抑制剂能在获能期间改变顶体膜重塑。此外，在获能后，顶体蛋白酶体促进透明带糖蛋白的降解，导致受精。UPS 通过泛素化调节DNA 修复酶参与精子发生中的DNA 修复，协助鉴定DNA 损伤位点，提高损伤修复相关蛋白，启动DNA 修复途径，维持染色体稳定性以确保正常精子形成[21-22]。动物实验也证实，精子泛素化与遗传DNA 缺陷相关[23]。USP24 是受雄激素受体（AR）调控的靶基因，蛋白在小鼠成熟精子上有表达，表达水平升高与小鼠的性发育相关。说明USP24 可能参与调控小鼠的精子发生过程[24]。泛素是男性精液的重要组分，有调查显示在男性不育患者体内泛素含量明显增加，而伴随着精液中泛素含量的增加，精子的形态、数量和活动能力均有所下降。提示，泛素可以作为衡量精子质量的一项指标[25]。

3.4 泛素化与胚胎发育

胚胎发育不良是导致体外受精失败的主要原因之一。植入前胚胎发育的第一个必要事件是在母体-合子转变（MZT）期间发生的母体RNA/蛋白质降解和合子基因组激活（ZGA）。UPS 在MZT 过程中对母体蛋白的清除起着至关重要的作用[26]。特别是UPS 通过多种方式调控转录，包括蛋白水解和非蛋白水解，从染色质结构水平到基因表达调控[27-28]。小鼠早期胚胎中，为了ZGA 和MZT 的正常进展，UPS 需要对母体蛋白进行顺序降解。泛素化连接酶（HUWE1）是泛素化过程的关键酶类[29]。在早期胚胎发育中作用的实验研究发现，在植入前小鼠胚胎的细胞核和细胞质以及配子中均有表达，而且表达量受氧化应激的调控。HUWE1基因敲除组胚胎发育受到抑制，囊胚形成减少，凋亡细胞数量增加。进一步检验HUWE1 表达是否与人类胚胎发育相关后发现，质量较差的胚胎HUWE1 染色明显减少，流产胚胎绒毛中HUWE1 的表达明显减少[30]。综上所述，HUWE1 蛋白可能参与着床前胚胎发育，而HUWE1 蛋白表达失调可能与体外移精-胚胎移植（IVF-ET）临床胚胎发育不良及流产有关。总体看来，泛素化连接酶HUWE1 对于胚胎发育具有重要作用，HUWE1 异常调节可能会提高胚胎异常发育风险和临床上IVF 的流产率[31]。

人类和小鼠的泛素蛋白连接酶Q1（UBE2Q1）具有98%的一致性，小鼠UBE2Q1 是一种活性E2 类UB结合酶。这种蛋白n 端末端对尿嘧啶核苷二磷酸半乳糖（UDPGal）的结合和内化至关重要。UBE2Q1 在内细胞团（ICM）和早期囊胚的滋养层细胞中均有表达，提示UBE2Q1 在女性生殖和胚胎植入过程中起着一定的作用，并且涉及到女性生育能力的不同方面[32]。泛素连接酶9（UBC9）是小泛素相关修饰蛋白（SUMO）循环通路中唯一的E2 结合酶，参与了有丝分裂中至关重要的过程，包含维持染色体的完整性及解离、细胞周期进程、着丝点聚集及胞质分裂[33]。UBC9 在早期发育阶段极其重要，小鼠UBC9 缺失将导致着床早期胚胎致死，并导致胚囊内细胞团选择性的凋亡。有学者发现泛素化蛋白的基因编码人泛素-52 氨基酸融合蛋白（UBA52）能调控细胞生命和胚胎发育。UBA52 的核糖体结构域产生核糖体蛋白复合体，同时UBA52 泛素结构域同时产生核糖体复合体泛素化。因此，UBA52 是核糖体蛋白复合物的双重调控因子。综上所述，这些发现从分子角度进一步解读了泛素相关蛋白的合成和胚胎发育的关系[34]。

4 结语

泛素化在蛋白质的定位、代谢、调节和降解等方面中都起至关重要的作用。同时也参与了细胞周期、增殖凋亡、基因表达、转录调节、信号传递、损伤修复等有关生命活动的调控。对泛素化与与肿瘤、心血管系统等疾病发病机制的研究逐渐成为开发新药物的新靶点。随着生物化学和遗传生物学领域研究的不断深入，泛素化与生殖领域的关系也取得了新的突破，多种E2、E3 家族的成员参与了哺乳动物的精子获能、卵母细胞成熟、胚胎发育等过程。由此我们可以推测，其与流产、不孕不育、少精子症等生殖系统疾病具有相关性。然而，目前研究仅局限在动物模型层面，缺少临床研究，在动物实验基础上推导的结论及假说有待验证。