泛素小史

泛素小史
译者注：此文是译作，原文作者是日本科学家田中启二。原文载于2004年土羊社出版的“ユビキチンがわかる“。转载时请注明原文作者，译者名jsj97，译文原文载于。
作者简介：田中启二，1976年从德岛大学医学院研究科大学院博士课程中途退学，经过德岛大学酶研究所助手，酶科学研究中心助教授，从96年起东京都医学院研究机构东京都临床医学综合研究所分子肿瘤学研究部门部长，2002年至今任同研究所副所长。
译者前言：当初引起我翻译这篇文章的冲动是因为他写得很好，使我有一种想好故事大家分享的想法。但凡是说起容易，做起来难，各种专业名词和本人并不高的日语水平，使得这片并不长的文章的翻译时间拖了又拖。尽管我尽了最大努力，我仍然无法确定内容的权威性，大家最好仅仅当做一个故事，而对细节的正确与否请放过。
1 泛素发现的前夜
现在回想泛素的发现，不能不提到两个先驱性的研究。泛素的发现最早要回溯到半个世纪前，1953年，Simpson 利用当时普及的放射性同位素进行代谢实验，发表了“生物细胞中的蛋白质分解中需要代谢能量即需要ATP的加水分解”的论文。但是，这个划时代的研究，在以后的很长一段时间里，被人忽视了。在当时热力学的世界观中，加水分解反应是产能反应，与需要能量的合成反应不同，这个过程是不需要能量的。另一个先驱性的研究是Goldberg等的论文（1977），他们报道在试管内再现Simpson所观察到的现象。这篇论文唤醒了在图书馆底沉睡的Simpson的发现。Goldberg等报道网织红细胞的提取液中加入ATP显著促进了蛋白质的分解，也就是伴随着蛋白分解有能量的消耗。这个发现中，选择网织红细胞是独具慧眼的。Goldberg等注意到网织红细胞向红细胞最终分化时候，不再需要的核，细胞器，溶酶体等细胞内的蛋白质在细胞内快速分解，也就是在蛋白质合成活跃的网织红细胞中，其分解活性也非常高。可以这么说，这个选择决定了一切。实际上，如果不是在网织红细胞的提取液中加入ATP，离体进行Simpson 的实验观察，泛素的发现可能还要等上好多年。ATP依赖性的蛋白分解在在体情况的发现，暗示了其生化学的可能机制。
上面的研究和其他关于蛋白质分解的不可思议现象开始吸引人们的目光。1960年代前期，发现了充满了加水分解酶细胞器--溶酶体，因此其被认为蛋白分解的主要器官。但是溶酶体的非选择性破坏方式难以说明在细胞器中寿命和表达水平千差万别的蛋白质个体间的矛盾。不过在当时，这只是少数意见并逐渐销声匿迹了。但在70年代，随着溶酶体机能抑制剂的开发，经过这些试剂处理过的细胞仍然有恒定的蛋白质分解难以抑制，表明了存在与溶酶体不同的蛋白分解系统，基于这些观察，当时称之为“非溶酶体的蛋白质分解系统”。没过多久，这个“非溶酶体的蛋白质分解系统”与前面所提到的“ATP依赖性的蛋白分解系统”便合二为一了。
为了保持溶酶体和细胞器内的酸性pH值，需要代谢能量，但这些能量是来自膜型的ATP泵（ATPase）的作用，与Goldberg等所观察到的细胞质的能量消耗的机制是完全不同的。实际上，像大肠杆菌这样的不含细胞器的原核生物的蛋白质分解也是需要代谢能量的，由此明确了ATP依赖性蛋白水解酶系和溶酶体系统是相互独立存在的。接着，在大肠杆菌内发现了ATP依赖性的蛋白水解酶的Lon酶(共有丝氨酸蛋白水解酶和ATP泵酶结构的多功能酶)。Goldberg等人从Lon酶的经验出发，坚信真核细胞中也存在ATP依赖性的蛋白水解酶，而在当时，发现并建立了网织红细胞系统的Goldberg团队对探明ATP依赖性机制也拥有绝对的信心，但在这场大戏中确有意想不到的剧情出现，将他们所预想夺取到的“探明在真核细胞中ATP依赖性的蛋白质分解机制”的光荣全部夺走，打破Goldberg团队美梦的就是巨星Hershko和Varshavsky.
2 从APF-1的认定到泛素的发现
Hershko在60年代后期，在以倡导“诱导酶”而闻名的Tomkin研究室中报告了类固醇激素诱导的酪氨酸转移酶的半衰期显著缩短，其分解代谢需要能量。1971年，他回到了祖国以色列，继续进行蛋白质分解的研究，1977年受到使用网织红细胞的Goldberg等人的“ATP依赖性的蛋白分解系统”等相关论文的启发，同当时是研究生的Ciechanover一同进行探明其机制的工作。他们采用化学方法分离，纯化网织红细胞提取液中的阶段性的相关因子。很快的，在1978年得到了通过DEAE-cellulose方法的“阶段1”和采用吸附高浓度盐析的“阶段2”。 幸运的是，这些操作只是通常的为了将红血球内大量的血红蛋白除去的生化学解析方法。阶段1和阶段2单独几乎难以见到ATP的促进效应，但当二者混合时，可以观察到ATP的促进效应。这个结果，显示了ATP依赖性的蛋白质分解路径是复合的，并以简报的形式刊载在BBRC(1978)上。他们将这篇小论文作为自己最值得自豪的业绩，即便在现在的讲演中，也常常提及。
此后不久，在阶段1中成功提纯ATP-dependent proteolysis factor(APF-1)。APF-1是热稳定性很好的小分子蛋白。当时推想，APF-1是阶段2内存在的尚未认定的蛋白水解酶的活化因子，采用I125标记的APF-1以检测其相互作用的分子。但结果出现了令人惊奇的现象，125I -APF-1是以高分子梯状出现的，而且明确了这个修饰反应在ATP加水分解反应中是必要的。现在这个现象作为聚泛素化的现象是很自然的事情，但在当时不难想象他们惊讶的程度。与原来的预想不同，1980年，APF-1被认为是底物蛋白质与所消耗的能量共价结合的产物。
现在有必要介绍一下泛素的研究历史，最初在1975年，Goldstein把它当作胸腺激素的一种发现的，但不久就明确了其不过是标本中混入的物质，也就是说，泛素是一种“被错误发现的分子”。但是正是在这个研究，创造了“泛素”这个名字得以流传史册。Goldstein等人，为了强调这个物质在所有的组织细胞中普遍存在，即其普遍性（ubiquity）,称其为泛素（ubiquitin）。在1977年，Goldknopf和Busch在细胞周期的研究中认定了在染色体的组蛋白2A中与其异肽链结合的分子为泛素。这篇“泛素与蛋白质共价结合”文章为明确泛素修饰反应机制带来了光明。接着，在1980年，Hershko与其共同研究者一道证明了APF-1和泛素是同一物质。再次验证了泛素的功能。
3 Hershko的泛素假说
很快Hershko和Ciechanover提出了泛素在蛋白质分解中所起的基本作用的假说：泛素通过E1（活化酶）,E2（结合酶）,E3（连接酶）的多级反应，与目标蛋白共价结合，多数泛素分子枝状连接，形成聚泛素链，而聚泛素链成为蛋白水解酶攻击的标记，被捕捉到的目标蛋白被迅速的分解。这个“泛素假说”后来得到广泛的称赞。这个假说的要点在于代谢能量是泛素活化所必须的，从概念上讲，ATP的消耗在了蛋白分解的信号形成上了。这个假说，对于Goldberg等人所预想的ATP依赖性的蛋白水解酶的概念完全不同，这种对能量依赖性蛋白质分解机制的解释不亚于晴天惊雷。有必要说明的是，这一系列的研究的是由生物化学方法所取得的，而和当时蓬勃发展的分子生物学技术并无关联。
在Hershko和Ciechanover提出泛素假说的最初5年间竟然没有竞争对手的出现，这在和平年代里是极为罕见的。当然，这也与当时大家都难以相信这种“当时难以想象的现象”有关，对于他们的假说的可信度人们总是投去怀疑的目光。这也是独创性到达了超世的境界，高处不胜寒的典型例子。但这种独创性过高的同时也常常带了些不幸。由于其超出常识，Nature,Science等世界超一流的杂志也不相信他们的发现，在很长一段时间内拒绝刊登。
4 Varshavsky的遗传学的研究
对于泛素系统离体作用的证明中，贡献最大的是Varshavsky和他的共同研究者，其门生很多，（Finley, Jentsch, Hochstrasser 等），现在仍然作为这个世界的带头人活跃着。Varshavsky在1977年，从原苏联莫斯科染色体研究所移居到了美国波士顿的MIT（麻省理工）。当时他主要在进行染色体的研究，由于这个关系，他注意到了Goldknopf和Busch关于泛素修饰的报告，并且围绕泛素化的组蛋白H2A的染色体相关机能进行了研究。以这个为契机，1980年左右 ，Varshavsky开始使用出芽酵母的逆遗传学技术对泛素系统进行研究。接着，将Hershko等在生化学所认定的E1,E2,E3等酶群所对应的酵母基因一个一个的分离出来。这些研究将明确了泛素链作为细胞体内实际分解信号的机能，将“泛素假说”的假说在文字上去掉了。同时他们以一连串的遗传学的研究取得了关于泛素系统相关的许多前瞻性的研究 成果。在当时，这一连串在Nature, Science, Cell杂志上发表的论文，在5年间席卷蛋白质分解的世界。考虑到他们的研究对后来人的影响，他们的工作是值得大加赞扬的。
5 蛋白质水解酶体的发现
作为精彩的范例，“泛素假说”从能量依赖性的蛋白质分解机制的观点来看，仍然有一个重大的缺陷，这就是泛素修饰只是ATP消耗的一个装置而已。1983年，笔者和Goldberg通过证明泛素修饰后的蛋白质分解仍然需要ATP的加水分解，因而主张“在蛋白质分解的过程中ATP依赖性的2段学说”。也就是说，虽然已经证明泛素以能量依赖性的信号附加机制，作为蛋白水解酶的攻击标识这个概念是正确的，但是实际上泛素修饰后的蛋白质分解仍然需要能量。这个假说的要点在于作为第二个ATP的消耗的分子机制，与原核生物一样，真核生物也存在着同样的ATP依赖性蛋白水解酶。这意味着在泛素登场前Goldberg的预测，一半是正确的。这个推断带来了称为蛋白水解酶体的ATP 依赖性的蛋白水解酶的发现。蛋白水解酶体最早出现在科学杂志上是1988年，但搞明白它的分子结构是在10多年以后。花费如此长的时间的理由在于这个酶体是一个分子量达到250万，总的亚基数达100个的生命科学史上最大最复杂的分子集合体。
蛋白质水解酶体是和已知的蛋白水解酶从概念上完全不同的新奇酶体，它的发现路程，可以称得上是一部电视连续剧。笔者作为这个酶体发现及其之后的研究进展的当事人之一，很遗憾将不能在这里讲述“蛋白质水解酶发现故事”，不过，有兴趣的读者可以去看看我的个人主页（http://www.rinshoken.or.jp）。（译者注：日文的）
6 泛素生物学研究的点火点
本文讲述的不过是泛素发现的故事，对于其后泛素研究的进展，是难以用一言两语概括的。有关泛素依赖性蛋白质分解系统的生物学飞跃发展，而由这种突破所带来的是发现与其相关的疾病和患者也是愈来愈多。本文只想记述有关其生物学发现前驱性研究的一个例子。1980年，在进行细胞周期研究的一个日本团队（东京大学名誉教授山田正笃等）分离了可以诱导染色体异常凝固的温度感受性的变异细胞ts85，并报告了在将这个细胞进行非限制温度下培养时发现修饰组蛋白H2A的泛素消失。当时，对组蛋白泛素化研究的Varshavsky，注意到了这篇论文，获得了ts85细胞，证实了ts85细胞存在泛素活化酶E1的变异，并使用这种细胞证明了泛素参与短寿命蛋白质分解的。这篇1984年的报告是最初关于泛素系统在细胞内生理机能的里程碑式的论文。同时对ts85细胞研究也成为了研究泛素在控制细胞周期中重要性的重要手段。
1983年，Hunt发现了在细胞分裂期间周期性变动的蛋白质CyclinB, 接着在1991年，由Hershko团队和Kirschner各自独立发表了CyclinB的周期性分解和泛素依赖性蛋白质分解系统相关的论文，细胞周期的研究从此掀开了新的一页。接着，Hershko通过生化学的方法分离出CyclinB泛素化的E3连接酶，命名为cyclosome。这个多少有些夸大其词的名称来自能够检测到泛素化的CyclinB与其有20S的巨大分别。但是cyclosome最初也被投以怀疑的眼光。“所谓E3酶会不会是膜或是其他什么的尚未认定的分子的结合的产物呢？”等等疑问不绝于耳。而在1996年，出现了将这些疑问完全打消的事件。世界上几个不同的研究团队探明了cyclosome也称为APC(anaphase-promoting complex)的分子结构。其结果探明了APC是由10几个亚体构成的巨大分子复合体。现在成这个酶为APC/C。接着，京都大学的柳田充弘教授和Kim Nasmyth通过分离正在分离的染色体中异常诱导的酵母基因组，明确了APC/C构成亚基和其多数情况下的靶分子。这是证明在细胞周期控制中，泛素依赖性的蛋白分解系统的重要性的决定性事件。这个结果揭开了ts85细胞在非允许温度下染色体异常凝固的谜团，也使得对细胞周期M期，也就是染色体分配的机制的研究到达了分子水平。在以后对细胞周期的研究中，泛素系统的重要性也变得愈来愈重要。特别是SCF和Mdm2等新泛素连接酶的发现，对它们的研究，证实了在细胞周期的顺利进行中，check point的调控中泛素依赖性的蛋白质分解的中心作用。这些结果，确立了细胞周期是由蛋白质的磷酸化反应与泛素控制的蛋白水解控制的概念，这被称为近年来癌研究的最大成果。
7其后对泛素研究的
距离1984年Finley,　Ciechanover, Varshavsky　使用ｔｓ８５细胞，在Cell杂志上发表了“泛素与细胞内蛋白质分解相关”的文章已经20年了。2004年，Cell杂志为了纪念这个发现，刊登了当事人的回忆文章。按照与这个发现有关的Pickart的回忆，1984年与泛素相关的文章不足100篇，2003年已经超过了1000篇。这也从侧面反映了泛素研究的飞速发展。而且在生命科学领域的顶级杂志Nature, Science, Cell中，每期都登载有“泛素话题”，现在关于泛素的研究仍然处于未见衰减的快速发展中。泛素—蛋白水解酶体作为决定体内众多生体反应能够快速，顺序，一过性，单向进行的合理手段，在细胞周期，凋亡，代谢调节，免疫应答，信号传递，转录控制，质量管理，应激应答，DNA修复等生命科学中众多领域起到了中心的作用，已经成为了难以动摇的事实。
对泛素的研究也取得了意想不到成果。举一个例子，最初提到的组蛋白的泛素化的研究中，也清楚了泛素也具有除了蛋白质分解外的机能，例如，现在已经探明，在胞饮，小泡运输等的选择，病毒的出芽等细胞内的物质流通系统，或是DNA修复，翻译控制，信号传递中，泛素是起到了信号分子的作用。再举一个例子，细胞存在着许多类似泛素分子（即泛素样蛋白质），它们独立形成了巨大的“蛋白质的由蛋白质进行的对蛋白质翻译后的修饰系统”。它们对通过基因信息的增幅基因的进行控制，能够发挥基因模体上没有的功能。更令人惊讶的是，泛素相关联的基因群，占基因总数的2-3%。泛素，真的是难以说是一种普通的蛋白质。
泛素的发现中做出贡献的Hershko, Ciechanover, Varshavsky在2000年被授予Albert Lasker Award。在2001年，以“Regulation of cellular function by the ubiquitin-proteasome system”为题目的第34回诺贝尔会议在斯德哥尔摩召开。Hershko, Goldberg,　Varshavsky等所发起的FASEB Summer Conference “Ubiquitin and Protein Degradation” 对泛素的研究进展有重大贡献。第一届在1989年，以后隔年召开，2004年为第8届。第一届的时候，参加者主要是上面3位伟人与其弟子。不过是泛素研究者的小型聚会。现在，这种情况已经改变，参加者半数以上是笔者不认识的年轻研究者。加之从2003年开始，由CSH symposium组织的“泛素之家”，今后，这两个会议将交替每年举行。而且关于蛋白水解酶将于2005年在Clermont-Ferrand(法国)举行第6届Proteasome Workshop。这些定期的国际会议以外，Keystone Symposium和EMBO workshop还对泛素话题频繁举行不定期的会议。从这些情况来看，现在泛素的正处在蓬勃发展的时期。但令人遗憾的是，高潮之后的世界将是怎样的，仍然是未知的。果真能够给生命的理解带来福音么，或是仍然徘徊在谜乱的深渊。对于笔者个人来说，虽然并不指望过长的寿命，但想在泛素的研究看见完结的曙光时告别这个世界。

诺贝尔化学奖的获奖及其影响
2000年Hershko, Ciechanover, Varshavsky获得Albert Lasker 基础医学奖。这个奖被称为其获得者的一半将获得诺贝尔奖，从这个时候起，泛素开始被视为诺贝尔奖的候选者。在第二年也就是2001年，以“Regulation of cellular function by the ubiquitin-proteasome system”为题目的第34回诺贝尔学会在斯德哥尔摩的Karolinska研究所召开，这次会议除了Hershko, Ciechanover, Varshavsky，Goldberg等人，还召集了细胞周期，免疫，神经等关于这方面研究的专家。接着，就如大家所知道的那样，2004年，Hershko, Ciechanover, Rose 等3人获得了诺贝尔化学奖。
对于这个诺贝尔奖的获得，无论是当事人还是相关领域的研究者都是既欢迎又惊讶的。因为竟然“没有Varshavsky而是Rose”，“不是医学生理学奖而是化学奖”。
Rose是使用ATP的酶反应学的权威，在初期和Hershko, Ciechanover共同进行研究，对泛素修饰反应的机制的探明有重大的功绩。其后，其在人才的培育上也有非凡的成就。在最初使用生化学手段主张泛素假说，这3名学者有极大的功绩。
我个人的看法，Varshavsky未能获得诺贝尔奖的确是非常令人遗憾的。如果没有Varshavsky的杰出工作，现在对泛素的研究也难以扩展到现在这个地步。而且，Varshavsky在Nature, Cell, Science等杂志上刊登关于泛素系统的论文有数十篇之多。与此相对的是，此次获奖的3人几乎为0。大概这个所代表的意义是，现代的基因工学，分子生物学等现代技术的快速发展，这种进步的本身就应该带来人体基因解析的大幅进步，而这回这3个人使用的以前生化学和酶学的基础性的所谓低技术而有了这种新概念的发现，有特别重大的意义。 因此，授予诺贝尔奖是对这种独创发现的最初发现的表彰吧。诺贝尔委员会正是标榜自己来表彰这种“最初的发现”的。现代高度发展的生命科学量产了大量论文，而这回诺贝尔化学奖的授予也可以说是为这种真正带有独创意味的发现所做得特别警示吧。
另外还有一件事，使这回得奖后在nature刊登的轶事。Hershko在诺贝尔医学和生理学奖颁布的第二天，他原来计划准备和孙女一起去游泳，结果从由堂兄打来的电话得到了被授予诺贝尔化学奖的消息（诺贝尔委员会是使用电报通知受奖者，而在这之前广播播发了短信，听到了这个消息的堂兄通知了本人）。也就是，对获得化学奖是极其意外的。是的，近年来，泛素的研究在医学，病态生理学等领域日渐扩大，很多人认为更应该授予医学生理学奖，实际上却是化学奖。这个化学奖，有必要把目光放在蛋白质作为配体的独特调节机制的发现及其生物学意义这一焦点问题，进行正确地认识。Hershko的智慧，Ciechanover卓越的技术和行动力，Rose深刻的酶学素养，这3个个性和才能毫不相同的科学家共同努力的结果，建立了泛素作为蛋白质分解信号的假说。
泛素-蛋白酶体途径研究进展
摘要 泛素-蛋白酶体途径是一种高效蛋白降解途径，主要负责真核细胞内蛋白的选择性降解。此途径参与体内许多重要的生理功能，包括细胞周期的调控、抗原递呈、转录调控、凋亡、信号转导等等，许多疾病的发生都是由于这一途径的异常引起的，本综述主要对其组成、作用机制及其功能在当前的研究进展以及未来的研究方向作一介绍。
关键词 泛素；蛋白酶体；蛋白降解
泛素-蛋白酶体途径是上世纪80年代早期由Aaron Ciechanover等人发现的蛋白降解途径。这个途径主要作用是对细胞内的蛋白质进行降解，它能够选择性的降解蛋白质，使细胞内各种蛋白质的降解受到精确的调控。而通过这个途径安全有效地进行众多重要蛋白质的降解，对于维持细胞的许多重要生理功能（如细胞周期的调控、抗原递呈、信号转导等）有着极其重要的作用。目前发现的许多遗传性和获得性疾病（如肿瘤、囊性纤维化）的发生都与此途径功能失调有关。本综述主要对这一途径的组成、作用机制及其功能在当前的研究进展及方向作一介绍。
1.  泛素-蛋白酶体途径的组成成分及作用机制
1.1 组成成分
泛素-蛋白酶体途径由泛素、泛素活化酶、泛素偶联酶、泛素-蛋白连接酶、26S蛋白酶体、泛素再循环酶组成。
⑴泛素(ubiquitin) ：是由76个氨基酸残基组成的多肽，分子量约8.5kD, 高度保守，存在于所有真核细胞内。因其存在丰富而广泛故被称之为泛素或泛在素。它主要的作用是以多聚泛素链的形式与要降解的底物蛋白结合，从而标记底物蛋白，以便于下一步降解蛋白。Muller[4]等人发现了类泛素蛋白SUMO，它们也标记底物蛋白但并不促使其降解，而似乎是为了使其更加稳定或其它功能，其具体机制正在研究之中。
⑵泛素活化酶（ubiquitin-activating enzyme,E1）：是由两个亚基组成的二聚体，两个亚基分子量各约为105kD。目前仅发现一种有功能的E1，其功能主要是在ATP的参与下激活泛素，以利于进行下一步反应。是催化泛素与蛋白结合所需要的第一个酶。
⑶泛素偶联酶（ubiquitin-conjugating enzymes,E2s）：是催化泛素与底物蛋白结合所需要的第二个酶，E2s的功能是与E1传递过来的泛素相结合，发挥其载体功能，以利于进行下一步反应。目前已有30余种E2s被分离出来，多数E2s为小分子量蛋白质，且均含有一个保守的核心结构域，约14~16kD, 其内含有与泛素结合所需的半胱氨酸残基。
⑷泛素-蛋白连接酶(ubiquitin-protein ligating enzymes,E3s)：是催化泛素与底物蛋白结合所需要的第三个酶，它的主要功能是负责选择性识别蛋白底物，催化蛋白泛素化。目前发现的E3s有几十个，由于新的E3s不断被发现，可能E3s的数量比我们目前所知的要多得多。E3s结构相差较大，但大多数E3s是含有环指结构的蛋白质。8个半胱氨酸和组氨酸与两个锌离子相互作用构成了这个环指结构。到目前为止已发现了5个不同的E3s家族：第一个是N-末端规则酶E3α，这类酶通常与N-末端具有某些碱性氨基酸残基（如精氨酸、赖氨酸）或与N-末端具有大量的疏水氨基酸残基（如苯丙氨酸、亮氨酸）的蛋白质结合；第二个是HECT（homologous to E6-AP C-terminus）结构域家族，E6-AP可以间接和肿瘤抑制因子p53结合，导致p53蛋白的泛素化。人类基因组至少可以编码20个不同的HECT结构域蛋白。 还有3种不同类型的高分子量多亚基复合体，分别叫做APC（anaphase promoting complex）,PULC (phosphoprotein-ubiquitin ligase complexes)和CBC(cullin elongin B/C)连接酶。它们与细胞周期调节因子和转录调节因子的降解有关。蛋白底物只有本身具有识别信号才能被E3识别，目前发现了四种可能的识别信号。
⑸E4 在酵母菌中发现一种能与较短的泛素链结合促进长泛素链形成的蛋白，称之为E4。
⑹26S蛋白酶体（26S proteasome）:是一个非常巨大的复合体，至少有50个亚基组成，约2000kD,它占细胞内总蛋白质的1%左右。26S蛋白酶体是由一个20S核心蛋白酶体和两个19S调节复合体结合而成的。20S蛋白酶体是由两个α环和两个β环叠加在一起形成筒状结构，两个β环在内侧，其内含有催化位点，两个α环在外侧，位于β环两侧。每个环各由7个亚基组成，真核生物的α环和β环各由7个不同的亚基组成，20S蛋白酶体的基本结构可表示为α1~7β1~7β1~7α1~7。20S蛋白酶体含有多种蛋白酶活性：①类糜蛋白酶活性：水解疏水性氨基酸后面的肽键；②类胰蛋白酶活性：水解碱性氨基酸后面的肽键；③谷氨酰水解酶活性：水解酸性氨基酸后面的肽键；④支链氨基酸肽酶活性；水解支链氨基酸后面的肽键；⑤中性氨基酸切割活性。研究表明各活性部位之间可以互相调节。多肽在20S蛋白酶体内降解的限速步骤是其被类糜蛋白酶位点切割，这步产生的多肽碎片进一步被其它的活性位点切割，如谷氨酰水解酶。两个19S调节复合体位于20S蛋白酶体的两端，19S复合体至少有18个不同的亚单位。19S复合体的功能是识别泛素化的底物蛋白、展开底物蛋白、打开α环外面的一个室口、把底物运到20S蛋白酶体内，整个过程需要消耗能量，而19S复合体含有6个不同的ATP酶亚单位。
⑺泛素再循环酶（ubiquitin recycling enzymes）：包括泛素C-未端水解酶（ubiquitin c-terminal hydrolases UCHs）、同工肽酶（isopeptidases）、去泛素化酶（deubiquitinating enzymes,DUBs）。这类酶的功能是①通过水解多聚泛素链和促进泛素前体转化成泛素维持游离泛素的浓度；②使错误标记的底物蛋白去泛素化；③使多聚泛素链从26S蛋白酶体上分离下来，以免影响对其它蛋白的识别；④调节泛素化蛋白的降解速度，在一些情况下甚至通过移除或缩短多聚泛素链来阻止泛素化蛋白的降解。
1.2 作用机制
泛素-蛋白酶体途径对蛋白质的降解可分成两个连续的步骤：①多个泛素分子与底物蛋白结合，从而标记底物蛋白；②标记了的底物蛋白被26S蛋白酶体降解,释放并重新利用泛素。而第一步泛素与底物蛋白的结合过程需要3个级联反应来完成。首先，泛素的C-末端甘氨酸残基在一个ATP的参与下与泛素激活酶（E1）的半胱氨酸残基间形成高能硫酯键；然后，E1把激活的泛素传递给泛素偶联酶（E2s）,泛素与一个E2s活化的半胱氨酸残基仍以高能硫酯键结合；最后，在一个泛素-蛋白连接酶（E3s）的催化下，泛素的C-末端与蛋白底物的赖氨酸残基以一个酰胺异构肽腱连接，从而完成3步反应。通过上述反应得到的泛素化的蛋白底物中泛素不是单个分子，而至少要有4个泛素分子，通常是后1个泛素分子结合到前1个泛素分子的第48位赖氨酸残基上，这样形成的聚合物与蛋白底物连接成复合物，目前在酵母菌中还发现第4种酶，称作E4，它可以有效的催化长的多聚泛素链的形成。第二步底物蛋白的降解，首先是26S蛋白酶体的19S调节复合体识别、结合、展平泛素化的底物蛋白，然后由26S蛋白酶体的催化核心20S复合体最终将蛋白水解成含有3~22个氨基酸残基的多肽，而多聚泛素链在泛素再循环酶的作用下分解成单个泛素分子后释放出来并被重新利用，从而形成泛素-蛋白酶体途径的循环。
2. 与泛素-蛋白酶体途径有关的生理功能
  泛素-蛋白酶体途径对细胞蛋白的降解在机体的许多生理功能中都起了很重要的作用，如细胞周期的调控、抗原递呈、免疫应答和炎症反应、转录的调控、细胞对应激和细胞外效应剂的应答、细胞表面受体和离子通道的调控、DNA的修复、生理节奏的调控、发育和分化、凋亡等等，目前还不断有新的作用被发现。
2.1细胞周期的调控
细胞周期受细胞周期调节蛋白依赖的激酶（Cdks）活性的波动所控制，而这类激酶的活性又受到一些正向调节亚单位、细胞周期调节蛋白的合成与降解及负向调节因子、Cdk抑制剂浓度的波动所控制。目前发现的G1细胞周期蛋白、有丝分裂细胞周期蛋白、Cdk抑制剂p27Kip1及阻止同源染色体分离的蛋白Cut2的降解都与此途径有关。
2.2 抗原提呈
抗原提呈细胞中内源性抗原被蛋白酶体摄取并降解成多肽，该多肽与内质网中合成的MHC-Ⅰ类分子结合，所形成的多肽-MHC-Ⅰ类分子复合物被高尔基体转运至细胞表面，供CD8+T细胞的TCR识别，并使之激活。
2.3 转录的调控
转录因子如E2F-1,fos,myc,NF-κB都受这个途径调节。转录因子NF-κB主要调控多种炎症和免疫基因表达，它在胞浆内与其抑制蛋白IκB结合成三聚体呈非活性状态，当受刺激剂刺激后IκB首先被IκB磷酸化激酶磷酸化，然后被泛素-蛋白酶体途径降解，从而使NF-κB活化进入核内与相应的DNA位点结合，调节多基因的转录。
2.4 凋亡
最近研究表明泛素-蛋白酶体途径在凋亡的调控中起着重要的作用，一些与凋亡有关的调节分子（如Bcl-2、Jun N末端激酶、热休克蛋白、Myc53）是通过蛋白酶体降解的。在一些实验中此途径是起促进凋亡的作用，而另一些实验中却起到相反的作用，目前对其在凋亡中的具体作用正在研究之中[14]。
3. 泛素-蛋白酶体途径与临床
由于泛素系统牵涉到机体许多生理功能，那么由于这个系统的功能失常即功能过强或功能丧失就可能引起许多的病理损害。
3.1 骨骼肌高代谢
在严重创伤、脓毒症、恶性肿瘤等多种病理条件下，骨骼肌蛋白质会表现为高分解代谢，长期的高分解代谢对机体十分不利，可以引起肌肉的萎缩和消耗，延迟病人康复，甚至危及病人的生命。而近年的研究表明泛素-蛋白酶体途径在骨骼肌高代谢的发生中起着最主要的作用。E3α家族和E2s中的E214k的mRNA水平在此情况下的是上调的，说明此二者都与骨骼肌高代谢关系密切，因为我们还不完全清楚其它E2s和E3s的mRNA在此情况下的表达水平及作用，目前还不能判断二者在骨骼肌代谢中的地位。
3.2 肿瘤
在人乳头状瘤病毒引起的宫颈癌中，癌蛋白E6可以使肿瘤抑制因子p53通过此途径快速降解，引起癌细胞内p53含量很低，E6主要起促进连接酶与底物蛋白结合的作用。在前列腺、乳腺、结直肠恶性肿瘤中细胞周期蛋白信赖的激酶抑制剂p27Kip1也处于较低的水平，而p27的迅速降解是由于它的同源E3，Skp2水平的增加。β-链蛋白在结直肠上皮分化中具有重要作用，此蛋白也经泛素系统代谢，如大量沉积则导致靶基因持续激活，导致恶性变。
3.3  遗传性疾病
囊性纤维化（CF）是一种常见的多系统紊乱的遗传病，囊性纤维化跨膜转导调节因子（CFTR）是一种氯离子通道，由于其编码基因突变导致CFTR仅能小部分运达细胞膜，其余在内质网中被泛素-蛋白酶体途径降解而引起疾病[15]。另外还有较少见的遗传性疾病如Angelman综合征主要由于染色体片断缺失而造成E6-AP连接酶异常所致，遗传性高血压Liddle综合征是由于对氨氯吡咪敏感的上皮钠通道(EnaC)β、γ亚基富含脯氨酸（PY）区域缺失所致，EnaC是通过连接酶与PY区域结合被泛素系统降解的，PY缺失导致EnaC稳定性增高，引起水钠潴留导致高血压。
4. 研究展望
泛素-蛋白酶体途径是我们所知的最精细的蛋白降解途径，对这个途径分子机制的深入研究将有助于我们对机体各种与之有关的生理功能和疾病的认识。由于目前已经发现了一些疾病中的关键蛋白的代谢与泛素-蛋白酶体途径有关，这导致了新的治疗方法的出现即通过调控此途径对疾病进行治疗。目前有些蛋白酶体抑制剂用于癌症治疗，并取得了一定的成效，但由于针对于蛋白酶体的抑制剂的特异性较差，在起治疗作用的同时也打乱了机体正常的生理功能，引起较大的副作用，而E3s与蛋白底物的识别与结合是较特异的，阻断特定的E3s对其蛋白的识别或结合就可以限制其底物蛋白的降解从而起到治疗作用，因此通过这种方式实现治疗作用的药物也将有可能出现。