蛋白质的泛素化和去泛素化调控了多种细胞活动，如细胞周期进程、DNA复制和修复、蛋白质动态平衡、免疫应答和细胞凋亡等。泛素化是一种高度保守的蛋白质翻译后修饰方式，可导致蛋白质运输、功能和稳定性的改变，这一过程由一系列酶介导，包括泛素激活酶E1、泛素连接酶E2和泛素—蛋白连接酶E3 [1]。蛋白质的去泛素化是在去泛素化酶(deubiquitinating enzyme)作用下移除泛素化蛋白上的单个泛素分子或多聚泛素链的过程，该过程对于细胞稳态、蛋白质稳定性和许多信号通路的维持具有重要作用。去泛素化酶在细胞中发挥多种生物学作用：如肿瘤抑制因子(cylindromatosis)可稳定肿瘤坏死因子受体相关因子2(tumor necrosis factor receptor-associated factor 2 )的泛素—蛋白连接酶E3；一些泛素特异性蛋白酶(ubiquitin-specific protease)参与p53和转化生长因子β(transforming growth factor-β，TGF-β)信号通路的调控等[2]。去泛素化酶作为泛素—蛋白酶体重要的效应物在细胞中发挥多种生物学作用，多种去泛素化酶的小分子抑制物已在实验中取得良好的治疗效果。去泛素化酶正成为肿瘤治疗中极具吸引力的靶标。
1 泛素羧基末端水解酶简介人类基因组编码超过100个去泛素化酶，根据序列和结构相似性可分为6个家族：泛素特异性蛋白酶、泛素羧基末端水解酶(ubiquitin C-terminal hydrolytic，UCH)、卵巢肿瘤蛋白酶(ovarian tumor proteases)、Machado-Joseph病蛋白结构域蛋白酶(Machado-Joseph disease protein domain proteases)、JAMM/MPN域相关金属蛋白酶(JAMM/MPN domain-associated metallopeptidases)和单核细胞趋化蛋白诱导蛋白(monocyte chemotactic protein-induced protein)家族[2]。UCH是第一个结构表征明确的去泛素化酶亚家族。
UCH一般对于加工多聚泛素链和大分子折叠蛋白质具有排斥作用，多通过一个特定的环，从泛素羧基末端加工小分子蛋白质[2]，其主要成员有UCHL1、UCHL3、UCH37(或鼠UCHL5)和乳腺癌1号基因相关蛋白(breast cancer 1-associated protein-1，BAP1)。UCH的核心催化结构域(UCH域)由约230个氨基酸组成[3]，能水解泛素羧基末端和靶蛋白赖氨酸侧链之间的异肽键。在结合泛素后，UCH域发生底物诱导的构象变化以形成功能UCH域，并且每一UCH家族成员的UCH域都有高度同源的催化三联体——半胱氨酸—组氨酸—天冬氨酸 [4]。除了UCH结构域，UCH37和BAP1还分别有大约100个和500个氨基酸组成的突出的羧基末端延伸链。该延伸链介导了UCH37与19S的亚基黏附调节分子1(adhesion-regulating molecule 1)的结合[5]，并且有利于其移除泛素链；在BAP1中，延伸链可以作为核定位信号(nuclear localization signal)基序，并且介导BAP1与抑癌基因乳腺癌1号基因(breast cancer 1，BRCA1)的相互作用[6]。
UCH参与调节多种细胞生物学过程，如细胞周期、DNA损伤、染色体重组和部分肿瘤相关信号通路(p53、TGF-β等)。UCH在多种肿瘤如肾癌、宫颈癌、乳腺癌、葡萄膜黑色素瘤等组织中均有异常表达，并参与多种肿瘤的发生发展过程[7, 8, 9, 10]，如过表达UCHL1的肾癌细胞表现出高增殖和高迁移能力；干扰UCHL3的前列腺癌细胞迁移和侵袭能力增强[2]。
2 UCH成员及其在肿瘤发生发展中的作用 2.1 UCHL1人类UCHL1基因位于染色体4p14上，大小是11.5 kb，含9个外显子，于1987年首次确定并命名为PGP 9.5[11]。UCHL1蛋白由223个氨基酸组成，为神经细胞蛋白质，占脑总蛋白质的1%～2％[12]。UCHL1除了具有依赖于催化残基C90和H161的去泛素酶活性，还具有泛素连接酶E3和稳定泛素单体活性的功能，但是翻译后单泛素化修饰限制了UCHL1的酶活性[12]，防止其与其他已泛素化的靶蛋白结合。UCHL1有两个与帕金森病相关的基因突变体：I93M和S18Y。其中S18Y的连接酶活性降低，水解酶活性轻微增加[13]。
UCHL1通常与肿瘤的侵袭和迁移关系密切。Seliger等[7]发现肾癌中转移瘤的UCHL1表达水平高于原发瘤。过表达UCHL1后，肾癌细胞表现出高增殖和高迁移能力。在前列腺癌细胞中，UCHL1可通过促进上皮—间质转换(epithelial-mesenchymal transition)，从而增强前列腺癌细胞的侵袭和转移能力[14]。肿瘤细胞转移往往与转录因子β联蛋白(β-catenin)的过度活化有关。UCHL1可以稳定β联蛋白，使其过度活化，从而增强肿瘤细胞迁移和侵袭能力[15]。UCHL1通过丝氨酸—苏氨酸蛋白激酶(AKT)信号通路改变细胞黏附性进而改变细胞的形态。UCHL1在非小细胞肺癌细胞系H157中高表达，使后者表现出高侵袭能力；抑制UCHL1表达后，H157细胞中AKT通路和下游的丝裂原活化蛋白激酶级联蛋白包括C-Jun氨基末端激酶和p38蛋白，在细胞中的活化亦减弱[16]。
UCHL1在人类多种肿瘤的发生发展中作用复杂，既可发挥癌基因作用又可发挥抑癌基因作用，其中的分子机制有待明确。UCHL1可以调节肿瘤细胞中的关键细胞周期蛋白水平，如细胞周期蛋白D和p53。Xiang等[17]发现乳腺癌组织中UCHL1启动子区域的甲基化程度高，证明UCHL1通过稳定p53和p14ARF激活p53-p14ARF信号通路发挥肿瘤抑制作用。Ummanni等[18]研究发现，前列腺癌患者肿瘤组织中UCHL1启动子区域甲基化程度(90%)高于正常组织(15%)，UCHL1以PTEN非依赖机制促进p53的累积，并抑制AKT/PI3K途径发挥肿瘤抑制作用。p27Kip1可以使细胞停留在G1期，过表达UCHL1可以促进p27Kip1积累，影响细胞周期而抑制细胞增殖。此外，p53在人类肿瘤中常出现突变，p53突变的不同状态可能是UCHL1在不同肿瘤细胞系和肿瘤组织中发挥癌基因或抑癌基因功能的原因。
2.2 UCHL3人类UCHL3基因位于染色体13q22.2上，与 UCHL1的氨基酸有55％的同一性。体外荧光标记泛素基序检测结果证实UCHL3的催化活性是UCHL1的200倍，但其连接酶的活性远弱于 UCHL1[13]。UCHL3识别并水解泛素或泛素样蛋白质(Nedd8)的羧基末端甘氨酸与蛋白质形成的异肽键，催化泛素前体和泛素化底物，并生成游离泛素单体[19]。UCHL3与Lys48连接的泛素二聚体相互作用，在保护其免受降解的同时抑制其水解酶活性。针对UCHL3突变体的分析结果表明，第33位的天冬氨酸和第95位的半胱氨酸是UCHL3与泛素相互作用的关键位点[20]。
UCHL3的mRNA表达水平在乳腺癌组织中显著高于正常乳腺组织[9]，且与乳腺癌患者的预后呈负相关，表明UCHL3可能参与乳腺癌的发生和发展。Rolén等[8]发现UCHL3和UCH37在宫颈癌组织中的表达相比邻近的正常宫颈组织均有显著上升，其中88%的宫颈癌组织中检测到活性UCHL3，而只有65%的正常宫颈组织检测到活性UCHL3。Song等[21]研究发现在前列腺癌细胞系中干扰UCHL3后可以促进上皮—间质转换和前列腺癌细胞的迁移和侵袭能力。一些锌指蛋白(Snail、Slug和Twist)能抑制钙黏蛋白(E-cadherin)表达并诱导上皮—间质转换。干扰UCHL3后，这些锌指蛋白的mRNA水平升高，从而使细胞黏附分子上皮钙黏蛋白和转录因子β联蛋白表达水平降低，这说明UCHL3可以作为前列腺癌治疗的潜在靶标。
2.3 UCH37人类UCH37基因位于染色体1q32上，cDNA有1818个碱基，包括236个核苷酸的5’非翻译区，990个核苷酸的开放阅读框和592个核苷酸的3’非翻译区[22]。UCH37相对分子质量为37，由329个氨基酸残基组成，两个功能结构域分别是催化结构域(UCH域，1-226)和羧基末端结构域(227-329)。26S蛋白酶体由20S核心颗粒和19S调节颗粒组成，UCH37的羧基末端结构域KEKE基序可以调节其与19S亚基Adrm1的作用。Adrm1作为UCH37的受体募集UCH37到蛋白酶体并与其结合，UCH37的自我抑制解除而被激活去泛素化活性[23]。UCH37也可以通过另一种泛素受体Rpn10/S5a结合到蛋白酶体。 在细胞核中，UCH37可结合人类INO80染色质重构复合物hINO8。结合初始，UCH37处于非活化状态，通过INO80复合物与蛋白酶体的瞬时相互作用使UCH37活化[5]。
TGF-β通常发挥肿瘤抑制作用，但是肿瘤发展后期由于肿瘤细胞产生耐药性，TGF-β转变为肿瘤促进作用[24]。TGF-β通过丝氨酸/苏氨酸激酶受体和细胞内的转录因子Smad传递信号，TGF-β与其受体结合后，UCH37与Smad7结合，导致Ⅰ型TGF-β受体复合物去泛素化，促进了TGF-β信号通路的活化[25]。Fang等[26]分析肝癌患者临床病理资料发现UCH37在肝癌组织中高表达，是肝癌复发的一个重要指标。体外实验证明UCH37通过作用于RNA剪接因子PRP19而促进肿瘤细胞迁移和侵袭，但该作用不影响细胞凋亡和细胞周期。D'Arcy等[27]发现去泛素化酶抑制剂b-AP15可以抑制19S调节颗粒相关的去泛素化酶(UCH37和USP14)的活性。另一种小分子WP1130可直接抑制UCH37的活性，亦有望用于抗肿瘤新药的开发[28]。Tian等[29]研究发现UCH37和USP14在多发性骨髓瘤组织中高表达，并与其发生有关。用b-AP15处理多发性骨髓瘤细胞可以抑制其生长并诱导其细胞凋亡，其抑制细胞活力作用是通过下调细胞周期蛋白CDC25C、B1和细胞周期蛋白依赖性激酶CDC2的表达以及激活依赖半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶(caspase)的细胞凋亡途径实现的。这些结果提示具有去泛素化活性的19S调节颗粒可作为一种新的抗肿瘤药物靶点。
2.4 BAP1BAP1相对分子质量为90，编码基因位于人类3号染色体3p21.1上[30]。BAP1与BRCA1的相互作用可以增强其抑制细胞生长的功能。BAP1具有UCH活性和两个核定位信号基序，但其中仅一个核定位信号具有生物学功能。BRCA1现证实是乳腺癌遗传易感基因，除了能够抑制细胞生长，还参与修复同源重组损伤的双链DNA、染色体重塑、细胞周期、转录和细胞凋亡等过程[30]。有研究发现BAP1与BARD1的相互作用抑制BRCA1/BARD1复合物的泛素连接酶E3活性，而且BAP1和BRCA1/BARD1共同调节细胞周期和DNA损伤反应中的蛋白质泛素化[31]。一项关于人类去泛素酶及其相关蛋白复合物的全球蛋白质组学和相互作用分析也证实了上述观点[32]。
宿主细胞因子(host cell factor，HCF)可与组蛋白修饰复合物相互作用，通过调节染色质结构调控基因表达，并作为支架招募组蛋白修饰酶如甲基化酶到E2F家族转录因子的启动子上[30]，分别抑制或激活E2F靶基因的E2F4或E2F1的特异性作用，调节细胞周期G1 /S转换。 BAP1通过位于它中间区域的NHNY序列与HCF-1的kelch基序作用，调控HCF-1的蛋白表达水平和G1/S期转换相关的基因来控制细胞增殖[33]。BAP1抑制肿瘤功能与其加速肿瘤细胞通过G1 /S检测点，引起DNA损伤积累及细胞死亡有关[34]。BAP1肿瘤抑制作用发挥需要同时具备去泛素活性和核定位能力。
BAP1的突变与多种肿瘤发生发展相关。BAP1胚系基因突变相关的肿瘤有葡萄膜黑色素瘤、皮肤黑色素瘤、间皮瘤、肺腺癌、脑膜瘤、神经内分泌癌和副神经节瘤；BAP1体细胞基因突变相关的肿瘤有葡萄膜黑色素瘤、皮肤黑色素瘤、间皮瘤和肾癌等[30]。最近Petrini等[35]发现BAP1的突变还可能与胸腺癌有关。Gerlinger等[36]证明透明性细胞肾细胞癌中常发生VHL(Von Hippel-Lindau)基因的失活突变和3p的缺失，3p位置的其他基因如BAP1、PBRM1、SETD2也会发生突变，说明BAP1可能与透明性细胞肾细胞癌的发病有关。但Kumar等[37]发现在原发性黑色素瘤细胞中BAP1的表达未降低，而将BAP1基因敲除后黑色素瘤细胞增殖能力降低，体内黑色素瘤生长受到抑制；其机制与BAP1抑制后导致在黑色素瘤细胞中发挥抗凋亡作用的蛋白survivin表达下调有关。
3 结 语去泛素化酶是参与泛素—蛋白酶体系统的重要效应物，并且具有多种生物学功能，正在成为一种新的抗肿瘤药物靶点。目前UCH和肿瘤之间的关系越来越受到关注，一些UCH的小分子抑制剂亦被证实可发挥肿瘤抑制作用，但此方面的研究仍处于实验阶段，尚未应用于临床。UCH的催化活性以及它们的调控和底物的特异性还有待进一步阐明；UCH在肿瘤形成过程、细胞增殖、生长因子信号途径等过程中的作用机制，去泛素化的具体过程，调控细胞周期的机制等均有待于深入研究。这些研究将为研制UCH相关的新型抗肿瘤药物提供实验依据。
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