Nature | 泛素修饰不止于蛋白：非蛋白质泛素化的系统发现与检测策略|泛素|糖原|素化|细胞|营养补充剂|蛋白质

撰文 | 阿童木

泛素化是细胞内最为经典的翻译后修饰之一，长期以来被认为主要作用于蛋白质。通过其C端甘氨酸-甘氨酸（GG）基序，泛素通常与底物蛋白赖氨酸残基形成稳定的异肽键，从而调控蛋白质的降解、定位及功能。这一修饰体系在蛋白酶体降解、信号转导以及细胞稳态维持中发挥核心作用，构成了细胞质量控制与信息传递的重要基础【1】。

然而，随着对泛素化化学本质认识的加深，这一传统认知开始出现松动。研究发现，泛素不仅可以连接至赖氨酸残基，还能够与半胱氨酸、丝氨酸或苏氨酸形成硫酯键或氧酯键【2】。更进一步的体外实验表明，一些E3连接酶甚至可以催化泛素与非蛋白质分子发生共价连接，包括葡萄糖、聚糖以及多胺等代谢物，甚至可能涉及部分脂质【3】（ BioArt ：）。因此，泛素修饰的底物范围可能远超蛋白质本身，延伸至细胞代谢网络之中。

然而，这一假设始终缺乏直接证据。现有蛋白质组学技术建立在肽段分析基础上，难以检测被泛素修饰的糖类、脂质或小分子代谢物。对于这些底物而言，泛素与其之间往往通过酯键连接，这类键在样品处理过程中容易水解，使得修饰信号在进入质谱分析前即已丢失。因此，非蛋白质泛素化在生物学上可能广泛存在，却在技术上长期处于“不可见”状态，其在细胞中的真实存在、丰度以及潜在功能始终难以评估。

近日，澳大利亚沃尔特和伊丽莎·霍尔医学研究所 David Komander 和 Marco Jochem 等在 Nature 杂志发表了题为 Ubiquitination of glycogen and metabolites i n cells and t issues 的研究论文，该研究针对非蛋白质泛素化难以检测的问题，建立了基于Ub-clipping与 sortase 标记的质谱分析策略，将不稳定的酯键连接转化为可富集、可解析的质谱信号。利用该方法，作者系统鉴定了糖类（如糖原）及多胺等非蛋白底物的泛素化修饰，并在细胞中验证其存在及可调控性。该工作拓展了泛素化底物谱，提示泛素修饰参与更广泛的代谢调控过程。

本研究的核心在于作者利用“Ub-clipping + sortase 标记 + LC-MS”，把原本不可检测的非蛋白泛素化转化为可捕获、可富集、可测序的信号。具体而言，作者首先利用特异性泛素剪切酶对泛素化底物进行处理，将泛素从底物上切除，同时在底物分子上保留一个GG残基。这一残基相当于一个稳定的“ 化学标记位点”，可作为后续识别的分子特征。通过这一过程，原本不稳定的泛素-底物连接被转化为一种可被质谱识别的化学结构，为非蛋白质泛素化的检测提供了基础。

在此基础上，研究者进一步引入分选酶（ sortase ）标记步骤。分选酶能够识别GG残基，并将其转化为带有肽段特征的分子结构，使原本属于糖类或小分子的底物获得“ 类肽属性 ”。这一转化使其能够进入蛋白质组学的标准分析流程，包括固相富集与高灵敏度纳流液相色谱-质谱检测。通过这一“ 从小分子到肽”的转换，非蛋白质泛素化首次被纳入成熟的质谱分析体系之中。

为验证该方法的可行性，作者首先在体外体系中构建了多个模型底物。以E3连接酶HOIL-1L为代表，作者成功制备了泛素化的寡糖及糖原，并通过酶解与剪切处理，将其转化为带有GG标记的寡糖分子。这些产物在质谱中表现出明确的保留时间及特征性碎裂模式，表明该策略能够稳定识别非蛋白质底物上的泛素修饰。更重要的是，原本难以分析的高分子糖原，在经过酶解后也可被转化为可检测的小分子片段，从而实现对复杂底物的间接解析。

在完成方法建立后，研究进一步转向细胞体系验证。作者通过构建基于FKBP/FRB的化学诱导邻近系统，在Huh7细胞中实现HOIL-1L与糖原的定向共定位。诱导后，糖原富集区域出现明显的泛素信号，并依赖于完整的泛素化系统。利用上述质谱策略，作者成功检测到与体外实验一致的GG标记寡糖分子。进一步的同位素示踪显示，这些信号来源于细胞内新合成的糖原，证明非蛋白质泛素化不仅可以在体外重建，而且在细胞内真实发生。

在此基础上，作者开始探讨这一修饰的潜在功能。研究发现，泛素化糖原可与溶酶体标志物LAMP1发生共定位，而不与内体标志物EEA1重叠。溶酶体抑制剂处理可显著增强这一共定位现象，而抑制泛素化过程或破坏HOIL-1L催化活性则阻断该过程。这些结果提示，泛素化可能作为一种分子标记信号，介导糖原向溶酶体转运。进一步实验表明，泛素化并不导致糖原形成不溶性聚集体，而是维持其动态特性，并伴随总体糖原水平的下降，提示其参与降解过程。

这一发现将泛素化功能从蛋白质质量控制拓展至代谢物处理领域。进一步研究显示，在糖原结构异常的模型中，这一机制被显著放大。GBE1缺陷导致糖原结构紊乱并形成聚葡聚糖小体，同时伴随泛素化水平显著升高。对泛素系统的干预表明，LUBAC复合物及去泛素化酶OTULIN参与该过程的调控。这些结果将泛素化机制与糖原代谢紊乱直接联系起来，提示其可能在相关疾病中发挥作用。

作者进一步评估了非蛋白质泛素化的组织分布及动态变化。在小鼠多个组织中均检测到泛素化糖原，其中肝脏和骨骼肌最为丰富。禁食实验揭示了这一修饰的动态特征：在糖原快速消耗阶段，泛素化糖原相对比例显著升高，提示其在代谢重编程过程中被优先调动。值得注意的是，在特定条件下，超过1%的细胞总泛素可连接于糖原，显示其在泛素系统中的占比不可忽略。

此外，在大量质谱信号中筛选后，作者不仅检测到了预期的糖类修饰，还鉴定出新的泛素化底物，包括甘油和精胺等小分子代谢物。代谢标记实验表明，这些修饰与细胞代谢流密切相关，而对多胺合成的抑制则可显著降低相应泛素化水平。这些结果进一步表明，非蛋白质泛素化并非局限于糖类，而是广泛存在于代谢网络之中。

综上所述，本研究通过方法学创新，将长期“不可见”的非蛋白质泛素化转化为可系统分析的分子事件，并在细胞与动物水平上证明其真实存在及动态调控特性。更重要的是，这一工作从概念上拓展了泛素修饰的作用边界，将其从蛋白质层面延伸至代谢层面，提示泛素系统可能参与更广泛的细胞物质流与代谢网络调控过程。这不仅为理解细胞代谢与蛋白质稳态之间的联系提供了新的视角，也为未来探索代谢调控与疾病机制打开了新的方向。

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10548-x

制版人：十一

参考文献

1. Lechtenberg, B. C. & Komander , D. Just how big is the ubiquitin system?Nat. Struct. Mol.Biol.1–4 (2024).

2. Pao, K.-C., et al . Activity-based E3 ligase profiling uncovers an E3 ligase with esterification activity.Nature556, 381–385 (2018).

3. Otten, E. G., et al. Ubiquitylation of lipopolysaccharide by RNF213 during bacterial infection.Nature594, 111–116 (2021).

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（*排名不分先后）