譯者介紹
起初，我翻譯這篇文章的動機是因為它寫得很好，這讓我有了分享壹個好故事的想法。但是說起來容易做起來難。各種專業術語，加上我日語水平不高，耽誤了這篇短文的翻譯。盡管我盡了最大努力，但我仍然不確定內容的權威性。妳最好只是把它當成壹個故事，請放下細節的正確性。回顧泛素的發現，不能不提到兩個開創性的研究。泛素最早的發現可以追溯到半個世紀前。1953年，辛普森利用當時流行的放射性同位素進行代謝實驗，發表了論文《生物細胞中的蛋白質分解需要代謝能量，即ATP水解》。然而，這項劃時代的研究在後來的很長壹段時間裏被忽視了。在當時熱力學的世界觀裏，加水分解反應是生產力反應，不同於需要能量的合成反應，這個過程不需要能量。另壹項開創性的研究是Goldberg等人的論文(1977)，該論文報道了辛普森觀察到的現象在試管中重現。這篇論文喚醒了睡在圖書館底層的辛普森的發現。Goldberg等人報道網織紅細胞提取液中加入ATP顯著促進蛋白質的分解，即伴隨著蛋白質分解有能量消耗。在這壹發現中，網織紅細胞的選擇是獨特的。Goldberg等人註意到，當網織紅細胞最終分化為紅細胞時，不再需要的細胞核、細胞器、溶酶體等細胞中的蛋白質在細胞內迅速分解，即在蛋白質合成活躍的網織紅細胞中，其分解活性也很高。可以說，這個選擇決定了壹切。事實上，如果網織紅細胞的提取液中不加入ATP，並在體外進行辛普森的實驗觀察，泛素的發現可能要等很多年。體內ATP依賴性蛋白水解的發現提示了可能的生化機制。
上述研究以及其他壹些關於蛋白質分解的不可思議的現象開始引起人們的關註。60年代初發現溶酶體，即充滿水解酶的細胞器，因此被認為是蛋白質分解的主要器官。但是溶酶體的非選擇性破壞很難解釋不同壽命的蛋白質個體和在細胞器中表達水平的矛盾。但當時只是少數意見，逐漸消失。但在20世紀70年代，隨著溶酶體功能抑制劑的發展，用這些試劑處理的細胞仍有持續的蛋白質分解，這表明存在不同於溶酶體的蛋白質分解系統。基於這些觀察，當時稱之為“非溶酶體蛋白質分解系統”。不久，這個“非溶酶體蛋白質分解系統”和前面提到的“ATP依賴的蛋白質分解系統”合二為壹。
為了維持溶酶體和細胞器中的酸性pH值，需要代謝能量，但這種能量來自膜ATP泵的作用，這與Goldberg等人觀察到的細胞質中能量消耗的機制完全不同，事實上，沒有細胞器的原核生物如大腸桿菌的蛋白質分解也需要代謝能量，這就明確了依賴ATP的蛋白水解酶和溶酶體系統是相互獨立存在的。然後在大腸桿菌中發現了ATP依賴型蛋白水解酶(具有絲氨酸蛋白水解酶和ATP泵酶結構的多功能酶)的Lon酶。基於Lon酶的經驗，Goldberg等人堅信ATP依賴的蛋白水解酶也存在於真核細胞中。當時發現並建立網織紅細胞系統的戈德堡團隊，對找出ATP依賴機制也有絕對的信心。然而，這部劇確實出現了意想不到的情節，奪走了他們所期待的壹切榮耀，而打破戈德堡球隊夢想的正是超級巨星赫什科和瓦爾沙夫斯基。
從APF-1的發現到泛素的發現
20世紀60年代末，Hershko在以倡導“誘導酶”著稱的Tomkin實驗室報道類固醇誘導的酪氨酸轉移酶半衰期明顯縮短，其分解代謝需要能量。1971年，他回到故土以色列繼續蛋白質分解的研究。1977年，他受到Goldberg等人利用網織紅細胞的“ATP依賴的蛋白質分解系統”的啟發，與當時在讀研究生的Ciechanover合作，找出其機制。他們用化學方法分離純化網織紅細胞提取液中的階段性相關因子。不久，在1978中，通過were纖維素法獲得了“階段1”和通過吸附和高濃度鹽析獲得了“階段2”。幸運的是，這些操作只是常規的生化分析方法，去除紅細胞中的大量血紅蛋白。單獨在1階段和2階段幾乎看不到ATP的促進作用，但當兩者混合時，可以觀察到ATP的促進作用。這個結果說明ATP依賴的蛋白質分解路徑是復雜的，以簡報的形式發表在BBRC(1978)上。他們把這篇小論文當作自己最驕傲的成就，甚至在現在的演講中，也經常提到。
此後不久，ATP依賴的蛋白水解因子(APF-1)在1階段被成功純化。APF-1是壹種熱穩定性好的小分子蛋白質。當時推測APF-1是壹種2期蛋白水解酶的未知激活因子，用I125標記的APF-1來檢測與之相互作用的分子。然而，結果顯示了壹個驚人的現象。125I -APF-1以聚合物階梯的形式出現，明確了這種修飾反應在ATP水解反應中的必要性。現在這種現象作為多泛素化的現象是很自然的事情，但是也不難想象當時他們的驚訝。與最初的預期不同，在1980中，APF-1被認為是底物蛋白與消耗的能量結合的產物。
現在有必要介紹壹下泛素的研究歷史。起初，在1975年，果爾德施坦因把它看作是胸腺激素的發現，但很快就搞清楚了，它只是混在標本中的壹種物質，即泛素是壹種“錯誤發現的分子”。但正是在這項研究中，“泛素”這個名字被創造出來，並在歷史上流傳下來。Goldstein等人為了強調這種物質在所有組織和細胞中都是普遍存在的，也就是它的普遍性，稱之為無所不在。在1977中，Goldknopf和Busch將泛素確定為在染色體的組蛋白2A中與其異肽鏈結合的分子。這篇文章“泛素與蛋白質* * *”的價鍵結合為闡明泛素修飾的反應機制帶來了曙光。然後在1980年，赫什科和他的同事證明了APF-1和泛素是同壹種物質。泛素的功能再次得到驗證。
赫什科泛素假說
不久Hershko和Ciechanover提出了泛素在蛋白質分解中起基礎作用的假說:泛素通過E1(激活酶)、E2(結合酶)和E3(連接酶)的多級反應與* * *價的靶蛋白結合，大部分泛素分子呈樹枝狀，形成多聚泛素鏈，多聚泛素鏈成為蛋白水解酶攻擊的標誌並被捕獲。這個“泛素假說”後來被廣泛推崇。這個假說的關鍵點是代謝能量是泛素激活所必需的。從概念上講，ATP是在蛋白質分解的信號形成中消耗的。這壹假說與Goldberg等人預測的ATP依賴型蛋白水解酶的概念完全不同，這種對能量依賴型蛋白質分解機制的解釋不亞於晴天霹靂。需要說明的是，這壹系列的研究都是通過生化方法獲得的，與當時蓬勃發展的分子生物學技術無關。
在Hershko和Ciechanover提出泛素假說的前五年期間，沒有競爭者，這在和平時期是極其罕見的。當然，這也與當時大家很難相信這種“不可想象的現象”有關，人們總是對其假設的可信度產生懷疑。這也是原創達到超越境界的典型例子，高處不勝寒。但這種原創性太高，往往會帶來壹些不幸。因為超出常識，《自然》《科學》等世界級雜誌不相信他們的發現，長期拒絕發表。
瓦爾沙夫斯基的遺傳學研究
Varshavsky和他的同事對泛素系統的體外功能的證明做出了最大的貢獻。他們有許多學生(芬利、詹奇、霍赫斯特拉塞爾等。)並且仍然作為這個世界的領導者活躍著。1977年，瓦爾沙夫斯基從前蘇聯莫斯科染色體研究所搬到美國波士頓的麻省理工學院。當時他主要是研究染色體。因為這種關系，他註意到了Goldknopf和Busch關於泛素修飾的報道，研究了泛素化組蛋白H2A的染色體相關功能。以此為契機，1980左右，Varshavsky開始利用芽殖酵母的反向遺傳學技術研究泛素系統。然後逐壹分離出赫氏生物化學鑒定的E1、E2、E3等酶組對應的酵母基因。這些研究將闡明泛素鏈作為細胞內實際分解信號的功能，同時從文本中刪除“泛素假說”的假設，通過壹系列的遺傳學研究，他們獲得了許多與泛素系統相關的前瞻性研究成果。當時發表在《自然》、《科學》、《細胞》雜誌上的這壹系列論文，用5年時間橫掃了蛋白質的分解世界。考慮到他們的研究對後世的影響，他們的工作是值得高度贊揚的。
蛋白質水解酶的發現
作為壹個奇妙的例子，泛素假說從能量依賴的蛋白質分解機制的角度來看，仍然有壹個重大缺陷，即泛素修飾只是壹個消耗ATP的裝置。在1983中，作者和Goldberg通過證明泛素修飾的蛋白質分解仍然需要ATP水解，倡導了“蛋白質分解過程中ATP依賴的兩階段理論”。也就是說，雖然已經證明泛素作為蛋白水解酶的攻擊標誌是壹種能量依賴的信號附著機制的概念是正確的，但實際上泛素修飾後的蛋白質分解還是需要能量的。這個假說的關鍵點在於，作為ATP消耗的第二個分子機制，真核生物與原核生物具有相同的ATP依賴型蛋白水解酶。這意味著在泛素出現之前，戈德堡的預測有壹半是正確的。這壹推論導致了依賴ATP的蛋白水解酶的發現，這種蛋白水解酶被稱為蛋白水解酶體。蛋白水解酶體最早出現在1988年的科學期刊上，但其分子結構是在10多年後才被了解的。之所以需要這麽長時間，是因為這個酶體是生命科學史上最大最復雜的分子聚集體，分子量250萬，總亞基100。
蛋白質水解酶是壹種在概念上完全不同於已知蛋白水解酶的新型酶，其發現距離可以稱得上壹部電視劇。作為參與這種酶的發現及其後續研究進展的當事人之壹，很遺憾我將無法在這裏講述蛋白質水解酶發現的故事，但有興趣的讀者可以去看看我的個人主頁。
泛素生物學研究的融合
本文只講述了泛素發現的故事，很難用幾句話概括泛素研究的進展。泛素依賴的蛋白質分解系統的生物學飛躍發展，帶來了越來越多相關疾病和患者的發現。本文僅描述了其生物發現的前兆研究的壹個實例。在1980，壹個日本團隊(山田雅人教授、東京大學名譽教授等。)分離出壹種溫度敏感突變細胞ts85，該細胞可誘導染色體異常凝固，並報道當該細胞在無限制溫度下培養時，修飾組蛋白H2A的泛素消失。當時研究組蛋白泛素化的Varshavsky註意到了這篇論文，獲得了ts85細胞，證明了ts85細胞中存在泛素激活酶E1的突變，並利用這個細胞證明了泛素參與短命蛋白質分解。1984這篇報道是第壹篇關於細胞內泛素系統生理功能的裏程碑式論文。同時，對ts85細胞的研究已經成為研究泛素在控制細胞周期中的重要性的重要手段。
1983年，Hunt在蛋白質中發現了細胞周期蛋白(CyclinB ),在細胞分裂過程中周期性變化。隨後在1991，Hershko團隊和Kirschner分別獨立發表了與CyclinB的周期分解和泛素依賴的蛋白質分解系統相關的論文，揭開了細胞周期研究的新壹頁。然後，Hershko用生化方法分離出CyclinB泛素化E3連接酶，命名為cyclosome。這個有些誇張的名字來自於CyclinB，可以檢測到泛素化，和20S差別很大。但是環體最初受到懷疑。" E3酶可能是細胞膜或其他未知分子的產物嗎？"等等，問題層出不窮。1996，有壹個事件徹底打消了這些疑慮。國際上幾個不同的研究小組已經證明了環體的分子結構，也稱為APC(後期促進復合物)。結果表明，APC是由10個亞基組成的巨大分子復合體。現在這種酶就是APC/C，然後京都大學的Tsuhiro Yanagida教授和Kim Nasmyth通過分離在被分離的染色體中被異常誘導的酵母基因組，在大多數情況下確定了APC/C亞基及其靶分子。這是證明泛素依賴的蛋白質分解系統在細胞周期控制中的重要性的決定性事件。這壹結果揭示了ts85細胞在不允許溫度下染色體異常凝固的奧秘，也使細胞周期M期即染色體分布機制的研究達到了分子水平。在未來的細胞周期研究中，泛素系統的重要性變得越來越重要。特別是新的泛素連接酶如SCF和Mdm2的發現，以及對它們的研究證實了泛素依賴的蛋白質分解在細胞周期順利進行過程中調控檢查點的中心作用。這些結果確立了細胞周期由蛋白質磷酸化控制，蛋白水解由泛素控制的概念，被稱為近年來癌癥研究的最大成果。
後來，泛素的研究
距離1984 Finley，Ciechanover，Varshavsky在Cell雜誌上發表文章《泛素與細胞內蛋白質分解有關》已經過去20年了。2004年，為了紀念這壹發現，《細胞》雜誌發表了壹篇有關當事人回憶的文章。根據Pickart對這壹發現相關的回憶，1984年泛素相關的文章不到100篇，2003年超過1000篇。這也反映了泛素研究的快速發展。而且在生命科學領域的頂級雜誌《Nature》、《Science》、《Cell》中，每期都有“泛素專題”發表，現在關於泛素的研究還在快速發展，沒有衰減。泛素-蛋白酶體作為確定體內許多生物反應可以快速、順序、瞬時、單向進行的合理手段，在細胞周期、細胞雕亡、代謝調控、免疫反應、信號傳遞、轉錄調控、質量管理、應激反應、DNA修復等生命科學的許多領域發揮著核心作用，已經成為不可動搖的事實。
泛素的研究也取得了意想不到的成果。比如壹開始提到的組蛋白泛素化的研究，也明確了泛素還有蛋白質分解以外的功能。例如，已經證明泛素作為信號分子在細胞飲水的選擇、囊泡運輸、細胞內物質循環系統如病毒出芽或DNA修復、翻譯控制和信號傳遞中起作用。再比如，細胞內有許多泛素樣分子(即泛素樣蛋白)，它們獨立形成壹個龐大的“蛋白質對蛋白質的翻譯後修飾系統”。它們可以通過基因信息控制基因的擴增，可以發揮基因基序所不具備的功能。更令人驚訝的是，與泛素相關的基因組占基因總數的2-3%。泛素真的是壹種普通的蛋白質。
Hershko，Ciechanover，Varshavsky因發現泛素而獲得2000年艾伯特·拉斯克獎。由ershko、Goldberg、Varshavsky發起的Faseb夏季會議“泛素與蛋白質降解”對泛素的研究進展做出了巨大貢獻。第壹屆在1989，以後每隔壹年舉辦壹屆，2004年舉辦第八屆。第壹屆，參與者主要是上述三位偉人及其弟子。只是泛素研究者的壹個小聚會。現在，這種情況改變了，壹半以上的參與者都是我不認識的年輕科研人員。此外，自2003年以來，CSH研討會組織的“無處不在的房子”將每年交替舉行。此外，第六次蛋白酶體講習班將於2005年在法國克萊蒙費朗舉行。除了這些定期的國際會議之外，Keystone研討會和EMBO研討會還經常就泛素主題舉行不定期的會議。從這些情況來看，泛素現在正處於蓬勃發展的時期。但遺憾的是，高潮過後的世界會是什麽樣，還不得而知。真的能給人生的理解帶來福音，還是還在神秘的深淵裏徘徊？我個人並不期待長壽，但在泛素研究看到末日曙光的時候，我想告別這個世界。