泛素简史
译者介绍
起初，我翻译这篇文章的动机是因为它写得很好，这让我有了分享一个好故事的想法。但是说起来容易做起来难。各种专业术语，加上我日语水平不高，耽误了这篇短文的翻译。尽管我尽了最大努力，但我仍然不确定内容的权威性。你最好只是把它当成一个故事，请放下细节的正确性。回顾泛素的发现，不能不提到两个开创性的研究。泛素最早的发现可以追溯到半个世纪前。1953年，辛普森利用当时流行的放射性同位素进行代谢实验，发表了论文《生物细胞中的蛋白质分解需要代谢能量，即ATP水解》。然而，这项划时代的研究在后来的很长一段时间里被忽视了。在当时热力学的世界观里，加水分解反应是生产力反应，不同于需要能量的合成反应，这个过程不需要能量。另一项开创性的研究是Goldberg等人的论文(1977)，该论文报道了辛普森观察到的现象在试管中重现。这篇论文唤醒了睡在图书馆底层的辛普森的发现。Goldberg等人报道网织红细胞提取液中加入ATP显著促进蛋白质的分解，即伴随着蛋白质分解有能量消耗。在这一发现中，网织红细胞的选择是独特的。Goldberg等人注意到，当网织红细胞最终分化为红细胞时，不再需要的细胞核、细胞器、溶酶体等细胞中的蛋白质在细胞内迅速分解，即在蛋白质合成活跃的网织红细胞中，其分解活性也很高。可以说，这个选择决定了一切。事实上，如果网织红细胞的提取液中不加入ATP，并在体外进行辛普森的实验观察，泛素的发现可能要等很多年。体内ATP依赖性蛋白水解的发现提示了可能的生化机制。
上述研究以及其他一些关于蛋白质分解的不可思议的现象开始引起人们的关注。60年代初发现溶酶体，即充满水解酶的细胞器，因此被认为是蛋白质分解的主要器官。但是溶酶体的非选择性破坏很难解释不同寿命的蛋白质个体和在细胞器中表达水平的矛盾。但当时只是少数意见，逐渐消失。但在20世纪70年代，随着溶酶体功能抑制剂的发展，用这些试剂处理的细胞仍有持续的蛋白质分解，这表明存在不同于溶酶体的蛋白质分解系统。基于这些观察，当时称之为“非溶酶体蛋白质分解系统”。不久，这个“非溶酶体蛋白质分解系统”和前面提到的“ATP依赖的蛋白质分解系统”合二为一。
为了维持溶酶体和细胞器中的酸性pH值，需要代谢能量，但这种能量来自膜ATP泵的作用，这与Goldberg等人观察到的细胞质中能量消耗的机制完全不同，事实上，没有细胞器的原核生物如大肠杆菌的蛋白质分解也需要代谢能量，这就明确了依赖ATP的蛋白水解酶和溶酶体系统是相互独立存在的。然后在大肠杆菌中发现了ATP依赖型蛋白水解酶(具有丝氨酸蛋白水解酶和ATP泵酶结构的多功能酶)的Lon酶。基于Lon酶的经验，Goldberg等人坚信ATP依赖的蛋白水解酶也存在于真核细胞中。当时发现并建立网织红细胞系统的戈德堡团队，对找出ATP依赖机制也有绝对的信心。然而，这部剧确实出现了意想不到的情节，夺走了他们所期待的一切荣耀，而打破戈德堡球队梦想的正是超级巨星赫什科和瓦尔沙夫斯基。
从APF-1的发现到泛素的发现
20世纪60年代末，Hershko在以倡导“诱导酶”著称的Tomkin实验室报道类固醇诱导的酪氨酸转移酶半衰期明显缩短，其分解代谢需要能量。1971年，他回到故土以色列继续蛋白质分解的研究。1977年，他受到Goldberg等人利用网织红细胞的“ATP依赖的蛋白质分解系统”的启发，与当时在读研究生的Ciechanover合作，找出其机制。他们用化学方法分离纯化网织红细胞提取液中的阶段性相关因子。不久，在1978中，通过were纤维素法获得了“阶段1”和通过吸附和高浓度盐析获得了“阶段2”。幸运的是，这些操作只是常规的生化分析方法，去除红细胞中的大量血红蛋白。单独在1阶段和2阶段几乎看不到ATP的促进作用，但当两者混合时，可以观察到ATP的促进作用。这个结果说明ATP依赖的蛋白质分解路径是复杂的，以简报的形式发表在BBRC(1978)上。他们把这篇小论文当作自己最骄傲的成就，甚至在现在的演讲中，也经常提到。
此后不久，ATP依赖的蛋白水解因子(APF-1)在1阶段被成功纯化。APF-1是一种热稳定性好的小分子蛋白质。当时推测APF-1是一种2期蛋白水解酶的未知激活因子，用I125标记的APF-1来检测与之相互作用的分子。然而，结果显示了一个惊人的现象。125I -APF-1以聚合物阶梯的形式出现，明确了这种修饰反应在ATP水解反应中的必要性。现在这种现象作为多泛素化的现象是很自然的事情，但是也不难想象当时他们的惊讶。与最初的预期不同，在1980中，APF-1被认为是底物蛋白与消耗的能量结合的产物。
现在有必要介绍一下泛素的研究历史。起初，在1975年，果尔德施坦因把它看作是胸腺激素的发现，但很快就搞清楚了，它只是混在标本中的一种物质，即泛素是一种“错误发现的分子”。但正是在这项研究中，“泛素”这个名字被创造出来，并在历史上流传下来。Goldstein等人为了强调这种物质在所有组织和细胞中都是普遍存在的，也就是它的普遍性，称之为无所不在。在1977中，Goldknopf和Busch将泛素确定为在染色体的组蛋白2A中与其异肽链结合的分子。这篇文章“泛素与蛋白质* * *”的价键结合为阐明泛素修饰的反应机制带来了曙光。然后在1980年，赫什科和他的同事证明了APF-1和泛素是同一种物质。泛素的功能再次得到验证。
赫什科泛素假说
不久Hershko和Ciechanover提出了泛素在蛋白质分解中起基础作用的假说:泛素通过E1(激活酶)、E2(结合酶)和E3(连接酶)的多级反应与* * *价的靶蛋白结合，大部分泛素分子呈树枝状，形成多聚泛素链，多聚泛素链成为蛋白水解酶攻击的标志并被捕获。这个“泛素假说”后来被广泛推崇。这个假说的关键点是代谢能量是泛素激活所必需的。从概念上讲，ATP是在蛋白质分解的信号形成中消耗的。这一假说与Goldberg等人预测的ATP依赖型蛋白水解酶的概念完全不同，这种对能量依赖型蛋白质分解机制的解释不亚于晴天霹雳。需要说明的是，这一系列的研究都是通过生化方法获得的，与当时蓬勃发展的分子生物学技术无关。
在Hershko和Ciechanover提出泛素假说的前五年期间，没有竞争者，这在和平时期是极其罕见的。当然，这也与当时大家很难相信这种“不可想象的现象”有关，人们总是对其假设的可信度产生怀疑。这也是原创达到超越境界的典型例子，高处不胜寒。但这种原创性太高，往往会带来一些不幸。因为超出常识，《自然》《科学》等世界级杂志不相信他们的发现，长期拒绝发表。
瓦尔沙夫斯基的遗传学研究
Varshavsky和他的同事对泛素系统的体外功能的证明做出了最大的贡献。他们有许多学生(芬利、詹奇、霍赫斯特拉塞尔等。)并且仍然作为这个世界的领导者活跃着。1977年，瓦尔沙夫斯基从前苏联莫斯科染色体研究所搬到美国波士顿的麻省理工学院。当时他主要是研究染色体。因为这种关系，他注意到了Goldknopf和Busch关于泛素修饰的报道，研究了泛素化组蛋白H2A的染色体相关功能。以此为契机，1980左右，Varshavsky开始利用芽殖酵母的反向遗传学技术研究泛素系统。然后逐一分离出赫氏生物化学鉴定的E1、E2、E3等酶组对应的酵母基因。这些研究将阐明泛素链作为细胞内实际分解信号的功能，同时从文本中删除“泛素假说”的假设，通过一系列的遗传学研究，他们获得了许多与泛素系统相关的前瞻性研究成果。当时发表在《自然》、《科学》、《细胞》杂志上的这一系列论文，用5年时间横扫了蛋白质的分解世界。考虑到他们的研究对后世的影响，他们的工作是值得高度赞扬的。
蛋白质水解酶的发现
作为一个奇妙的例子，泛素假说从能量依赖的蛋白质分解机制的角度来看，仍然有一个重大缺陷，即泛素修饰只是一个消耗ATP的装置。在1983中，作者和Goldberg通过证明泛素修饰的蛋白质分解仍然需要ATP水解，倡导了“蛋白质分解过程中ATP依赖的两阶段理论”。也就是说，虽然已经证明泛素作为蛋白水解酶的攻击标志是一种能量依赖的信号附着机制的概念是正确的，但实际上泛素修饰后的蛋白质分解还是需要能量的。这个假说的关键点在于，作为ATP消耗的第二个分子机制，真核生物与原核生物具有相同的ATP依赖型蛋白水解酶。这意味着在泛素出现之前，戈德堡的预测有一半是正确的。这一推论导致了依赖ATP的蛋白水解酶的发现，这种蛋白水解酶被称为蛋白水解酶体。蛋白水解酶体最早出现在1988年的科学期刊上，但其分子结构是在10多年后才被了解的。之所以需要这么长时间，是因为这个酶体是生命科学史上最大最复杂的分子聚集体，分子量250万，总亚基100。
蛋白质水解酶是一种在概念上完全不同于已知蛋白水解酶的新型酶，其发现距离可以称得上一部电视剧。作为参与这种酶的发现及其后续研究进展的当事人之一，很遗憾我将无法在这里讲述蛋白质水解酶发现的故事，但有兴趣的读者可以去看看我的个人主页。
泛素生物学研究的融合
本文只讲述了泛素发现的故事，很难用几句话概括泛素研究的进展。泛素依赖的蛋白质分解系统的生物学飞跃发展，带来了越来越多相关疾病和患者的发现。本文仅描述了其生物发现的前兆研究的一个实例。在1980，一个日本团队(山田雅人教授、东京大学名誉教授等。)分离出一种温度敏感突变细胞ts85，该细胞可诱导染色体异常凝固，并报道当该细胞在无限制温度下培养时，修饰组蛋白H2A的泛素消失。当时研究组蛋白泛素化的Varshavsky注意到了这篇论文，获得了ts85细胞，证明了ts85细胞中存在泛素激活酶E1的突变，并利用这个细胞证明了泛素参与短命蛋白质分解。1984这篇报道是第一篇关于细胞内泛素系统生理功能的里程碑式论文。同时，对ts85细胞的研究已经成为研究泛素在控制细胞周期中的重要性的重要手段。
1983年，Hunt在蛋白质中发现了细胞周期蛋白(CyclinB ),在细胞分裂过程中周期性变化。随后在1991，Hershko团队和Kirschner分别独立发表了与CyclinB的周期分解和泛素依赖的蛋白质分解系统相关的论文，揭开了细胞周期研究的新一页。然后，Hershko用生化方法分离出CyclinB泛素化E3连接酶，命名为cyclosome。这个有些夸张的名字来自于CyclinB，可以检测到泛素化，和20S差别很大。但是环体最初受到怀疑。" E3酶可能是细胞膜或其他未知分子的产物吗？"等等，问题层出不穷。1996，有一个事件彻底打消了这些疑虑。国际上几个不同的研究小组已经证明了环体的分子结构，也称为APC(后期促进复合物)。结果表明，APC是由10个亚基组成的巨大分子复合体。现在这种酶就是APC/C，然后京都大学的Tsuhiro Yanagida教授和Kim Nasmyth通过分离在被分离的染色体中被异常诱导的酵母基因组，在大多数情况下确定了APC/C亚基及其靶分子。这是证明泛素依赖的蛋白质分解系统在细胞周期控制中的重要性的决定性事件。这一结果揭示了ts85细胞在不允许温度下染色体异常凝固的奥秘，也使细胞周期M期即染色体分布机制的研究达到了分子水平。在未来的细胞周期研究中，泛素系统的重要性变得越来越重要。特别是新的泛素连接酶如SCF和Mdm2的发现，以及对它们的研究证实了泛素依赖的蛋白质分解在细胞周期顺利进行过程中调控检查点的中心作用。这些结果确立了细胞周期由蛋白质磷酸化控制，蛋白水解由泛素控制的概念，被称为近年来癌症研究的最大成果。
后来，泛素的研究
距离1984 Finley，Ciechanover，Varshavsky在Cell杂志上发表文章《泛素与细胞内蛋白质分解有关》已经过去20年了。2004年，为了纪念这一发现，《细胞》杂志发表了一篇有关当事人回忆的文章。根据Pickart对这一发现相关的回忆，1984年泛素相关的文章不到100篇，2003年超过1000篇。这也反映了泛素研究的快速发展。而且在生命科学领域的顶级杂志《Nature》、《Science》、《Cell》中，每期都有“泛素专题”发表，现在关于泛素的研究还在快速发展，没有衰减。泛素-蛋白酶体作为确定体内许多生物反应可以快速、顺序、瞬时、单向进行的合理手段，在细胞周期、细胞凋亡、代谢调控、免疫反应、信号传递、转录调控、质量管理、应激反应、DNA修复等生命科学的许多领域发挥着核心作用，已经成为不可动摇的事实。
泛素的研究也取得了意想不到的成果。比如一开始提到的组蛋白泛素化的研究，也明确了泛素还有蛋白质分解以外的功能。例如，已经证明泛素作为信号分子在细胞饮水的选择、囊泡运输、细胞内物质循环系统如病毒出芽或DNA修复、翻译控制和信号传递中起作用。再比如，细胞内有许多泛素样分子(即泛素样蛋白)，它们独立形成一个庞大的“蛋白质对蛋白质的翻译后修饰系统”。它们可以通过基因信息控制基因的扩增，可以发挥基因基序所不具备的功能。更令人惊讶的是，与泛素相关的基因组占基因总数的2-3%。泛素真的是一种普通的蛋白质。
Hershko，Ciechanover，Varshavsky因发现泛素而获得2000年艾伯特·拉斯克奖。由ershko、Goldberg、Varshavsky发起的Faseb夏季会议“泛素与蛋白质降解”对泛素的研究进展做出了巨大贡献。第一届在1989，以后每隔一年举办一届，2004年举办第八届。第一届，参与者主要是上述三位伟人及其弟子。只是泛素研究者的一个小聚会。现在，这种情况改变了，一半以上的参与者都是我不认识的年轻科研人员。此外，自2003年以来，CSH研讨会组织的“无处不在的房子”将每年交替举行。此外，第六次蛋白酶体讲习班将于2005年在法国克莱蒙费朗举行。除了这些定期的国际会议之外，Keystone研讨会和EMBO研讨会还经常就泛素主题举行不定期的会议。从这些情况来看，泛素现在正处于蓬勃发展的时期。但遗憾的是，高潮过后的世界会是什么样，还不得而知。真的能给人生的理解带来福音，还是还在神秘的深渊里徘徊？我个人并不期待长寿，但在泛素研究看到末日曙光的时候，我想告别这个世界。