蛋白質泛素化修飾調控真核生物細胞中的大量生物學過程。蛋白質泛素化水平由泛素連線酶(E3)介導的泛素化與去泛素化酶（DUB）介導的去泛素化形成的動態平衡所決定，該平衡發生紊亂會誘發多種疾病，研究E3/DUB和底物之間的相互作用可以為癌症等疾病治療提供新的視角(圖1)。E3/DUB與底物的親和力較弱，現有的實驗鑑定方法通常比較昂貴且效率低下，人們迫切需要生物資訊學策略來輔助探索蛋白質組範圍內的 E3/DUB-底物相互作用。
圖1 泛素連線酶/去泛素化酶與底物的相互作用
2017 年，國家蛋白質科學中心（北京）賀福初院士/李棟研究員團隊給出了第一個人類蛋白質組範圍內預測的E3-底物相互作用網路UbiBrowser 1.0 (Nat. Commun, 8, 347)。UbiBrowser 1.0釋出以來，資料庫訪問超過 100,000 次，為Cell stem cell、Circulation等期刊發表的系列研究成果提供了關鍵線索。但UbiBrowser 1.0只有人的泛素連線酶-底物相互作用網路，而根據對PubMed中 17,800 篇泛素化修飾相關論文的統計，~37%的研究與去泛素化酶有關，並且~55%的研究在非人物種中進行。為了滿足領域的需求，該團隊近期對UbiBrowser進行了系統升級，提供了39種真核生物蛋白質組範圍內E3/DUB-底物的相互作用網路。2021年10月20日，該論文“UbiBrowser 2.0: a comprehensive resource for proteome-wide known and predicted ubiquitin ligase/deubiquitinase-substrate interactions in eukaryotic species” 在Nucleic Acids Research期刊線上發表（圖2）。
圖2 UbiBrowser 2.0 (來源：https://doi.org/10.1093/nar/gkab962)
該團隊透過自然語言處理技術蒐集了4068對已知E3-底物相互作用(ESI)和967對已知DUB-底物相互作用(DSI)；綜合利用樸素貝葉斯分類器與同源對映方法預測了38個非人物種中蛋白質組尺度的1,884,676/303,214對E3/DUB-底物相互作用(圖3)。為了方便研究人員使用新增加的多個物種E3/DUB-底物相互作用資料，該團隊重新設計了網站訪問與結果展示介面，並添加了相互作用支撐證據等資訊。
圖3 UbiBrowser 2.0技術路線
在UbiBrowser 2.0，使用者可以將預測過程設定為“泛素化”或“去泛素化”，並指定查詢蛋白是“泛素連線酶”、“去泛素化酶”或者“底物”。UbiBrowser 2.0現支援39 種真核生物中ESI/DSI的檢索與瀏覽（圖4）。
圖4 UbiBrowser 2.0首頁
網站最大的改進在於ESI/DSI的網路檢視。新的網路檢視可以同時呈現已知和預測的 ESI/DSI，使用者可以透過選擇頁面的過濾器進行切換。另外，使用者也可以選擇只顯示其中部分E3/DUB家族涉及的相互作用（圖5）。
圖5 UbiBrowser 2.0網站中呈現ESI/DSI的網路檢視
在UbiBrowser 2.0中，所有已知和預測的相互作用的來源資訊被清晰的呈現。針對已知相互作用，網站提供了支撐的文獻描述資訊，支援語句中E3/DUB和底物條目高亮顯示。而對於預測的相互作用，UbiBrowser 2.0提供了預測支援證據頁面，包括了富集結構域對、E3/DUB識別motif、富集GO條目對等詳細資訊（圖6）。
圖6 UbiBrowser 2.0網站中呈現已知/預測ESI/DSI的證據檢視
自2017年UbiBrowser在Nature Communications期刊發表後，網站已被廣泛用於蛋白質穩態調節機制的探索，網站中部分預測結果也在獨立實驗研究中得到了驗證，例如E3連線酶STUB可作為成骨細胞中ERRα蛋白穩定性的新調節因子（Cell Death Differ, 27, 2048），以及MDM2作為ACE2（SARS-CoV-2進入宿主細胞的受體）的E3連線酶（Circulation, 142, 1190）。得益於UbiBrowser 2.0新增的ESI/DSI資料集，使用者可以同時從泛素化和去泛素化兩個相反方向探索蛋白質精密的穩態調控機制。比如，表皮生長因子受體（EGFR）控制上皮細胞的生長和存活，EGFR降解的失調可以加速腫瘤的發生發展。UbiBrowser 2.0推測WWP1可能是EGFR的負調節因子，而去泛素化酶 STAMBP可能能夠穩定EGFR，而最近的研究恰好證實了這些假設(Nat. Commun, 11, 3660；Neoplasia, 23, 607)。另外一個來自果蠅的例子，果蠅線粒體融合蛋白mitofusin與帕金森症具有密切關聯。UbiBrowser 2.0推測parkin是線粒體融合蛋白上游的E3泛素連線酶，而usp8被預測為線粒體融合蛋白的去泛素化酶。事實上，實驗表明parkin可以泛素化線粒體融合蛋白（mitofusin），並促進內質網線粒體接觸位點的形成；抑制usp8可以下調parkin缺陷果蠅模型的線粒體融合蛋白的表達水平 (Front. Neurol, 9, 228; Life Sci. Alliance, 2, e201900392)。
本次UbiBrowser 2.0的推出完善了先前的工作，有助於人們從多個角度認識泛素化修飾對底物的調控作用，並進而掌握調控蛋白質死亡之門的“鑰匙”。
國家蛋白質科學中心李棟研究員、賀福初院士和張令強研究員為論文共同通訊作者，該中心的王勳博士研究生、李楊博士、賀夢琪碩士以及河北大學生命科學學院鳳凰班的四年級本科生孔祥任為論文共同第一作者（圖2）。
原文連結
https://doi.org/10.1093/nar/gkab962
參考文獻
1. Wang X, Li Y, He M, Kong X, Jiang P, Liu X, Diao L, Zhang X, Li H, Ling X, Xia S, Liu Z, Liu Y, Cui C, Wang Y, Tang L, Zhang L, He F, and Li D. UbiBrowser 2.0: a comprehensive resource for proteome-wide ubiquitin ligase/deubiquitinase-substrate interactions in eukaryotic species. Nucleic Acids Research. 2021. 10.1093/nar/gkab962.
2. Li Y, Xie P, Lu L, Wang J, Diao L, Liu Z, Guo F, He Y, Liu Y, Huang Q, Liang H, Li D, He F. An integrated bioinformatics platform for investigating the human E3 ubiquitin ligase-substrate interaction network. Nature Communications. 2017. 8:347.
