NAR | UbiB2.0：多物种泛素连接酶/去泛素化酶-底物蛋白互作网络

蛋白质泛素化修饰调控真核生物细胞中的大量生物学过程。蛋白质泛素化水平由泛素连接酶(E3)介导的泛素化与去泛素化酶（DUB）介导的去泛素化形成的动态平衡所决定，该平衡发生紊乱会诱发多种疾病，研究E3/DUB和底物之间的相互作用可以为癌症等疾病治疗提供新的视角(图1)。E3/DUB与底物的亲和力较弱，现有的实验鉴定方法通常比较昂贵且效率低下，人们迫切需要生物信息学策略来辅助探索蛋白质组范围内的 E3/DUB-底物相互作用。

图1 泛素连接酶/去泛素化酶与底物的相互作用

2017 年，国家蛋白质科学中心（北京）贺福初院士/李栋研究员团队给出了第一个人类蛋白质组范围内预测的E3-底物相互作用网络UbiBrowser 1.0 (Nat. Commun, 8, 347)。UbiBrowser 1.0发布以来，数据库访问超过 100,000 次，为Cell stem cell、Circulation等期刊发表的系列研究成果提供了关键线索。但UbiBrowser 1.0只有人的泛素连接酶-底物相互作用网络，而根据对PubMed中 17,800 篇泛素化修饰相关论文的统计，~37%的研究与去泛素化酶有关，并且~55%的研究在非人物种中进行。为了满足领域的需求，该团队近期对UbiBrowser进行了系统升级，提供了39种真核生物蛋白质组范围内E3/DUB-底物的相互作用网络。2021年10月20日，该论文“UbiBrowser 2.0: a comprehensive resource for proteome-wide known and predicted ubiquitin ligase/deubiquitinase-substrate interactions in eukaryotic species” 在Nucleic Acids Research期刊在线发表（图2）。

图2 UbiBrowser 2.0 (来源：https://doi.org/10.1093/nar/gkab962)

该团队通过自然语言处理技术搜集了4068对已知E3-底物相互作用(ESI)和967对已知DUB-底物相互作用(DSI)；综合利用朴素贝叶斯分类器与同源映射方法预测了38个非人物种中蛋白质组尺度的1,884,676/303,214对E3/DUB-底物相互作用(图3)。为了方便研究人员使用新增加的多个物种E3/DUB-底物相互作用数据，该团队重新设计了网站访问与结果展示界面，并添加了相互作用支撑证据等信息。

图3 UbiBrowser 2.0技术路线

在UbiBrowser 2.0，用户可以将预测过程设定为“泛素化”或“去泛素化”，并指定查询蛋白是“泛素连接酶”、“去泛素化酶”或者“底物”。UbiBrowser 2.0现支持39 种真核生物中ESI/DSI的检索与浏览（图4）。

图4 UbiBrowser 2.0首页

网站最大的改进在于ESI/DSI的网络视图。新的网络视图可以同时呈现已知和预测的 ESI/DSI，用户可以通过选择页面的过滤器进行切换。另外，用户也可以选择只显示其中部分E3/DUB家族涉及的相互作用（图5）。

图5 UbiBrowser 2.0网站中呈现ESI/DSI的网络视图

在UbiBrowser 2.0中，所有已知和预测的相互作用的来源信息被清晰的呈现。针对已知相互作用，网站提供了支撑的文献描述信息，支持语句中E3/DUB和底物条目高亮显示。而对于预测的相互作用，UbiBrowser 2.0提供了预测支持证据页面，包括了富集结构域对、E3/DUB识别motif、富集GO条目对等详细信息（图6）。

图6 UbiBrowser 2.0网站中呈现已知/预测ESI/DSI的证据视图

自2017年UbiBrowser在Nature Communications期刊发表后，网站已被广泛用于蛋白质稳态调节机制的探索，网站中部分预测结果也在独立实验研究中得到了验证，例如E3连接酶STUB可作为成骨细胞中ERRα蛋白稳定性的新调节因子（Cell Death Differ, 27, 2048），以及MDM2作为ACE2（SARS-CoV-2进入宿主细胞的受体）的E3连接酶（Circulation, 142, 1190）。得益于UbiBrowser 2.0新增的ESI/DSI数据集，用户可以同时从泛素化和去泛素化两个相反方向探索蛋白质精密的稳态调控机制。比如，表皮生长因子受体（EGFR）控制上皮细胞的生长和存活，EGFR降解的失调可以加速肿瘤的发生发展。UbiBrowser 2.0推测WWP1可能是EGFR的负调节因子，而去泛素化酶 STAMBP可能能够稳定EGFR，而最近的研究恰好证实了这些假设(Nat. Commun, 11, 3660；Neoplasia, 23, 607)。另外一个来自果蝇的例子，果蝇线粒体融合蛋白mitofusin与帕金森症具有密切关联。UbiBrowser 2.0推测parkin是线粒体融合蛋白上游的E3泛素连接酶，而usp8被预测为线粒体融合蛋白的去泛素化酶。事实上，实验表明parkin可以泛素化线粒体融合蛋白（mitofusin），并促进内质网线粒体接触位点的形成；抑制usp8可以下调parkin缺陷果蝇模型的线粒体融合蛋白的表达水平 (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，有助于人们从多个角度认识泛素化修饰对底物的调控作用，并进而掌握调控蛋白质死亡之门的“钥匙”。

国家蛋白质科学中心李栋研究员、贺福初院士和张令强研究员为论文共同通讯作者，该中心的王勋博士研究生、李杨博士、贺梦琪硕士以及河北大学生命科学学院凤凰班的四年级本科生孔祥任为论文共同第一作者（图2）。

原文链接

https://doi.org/10.1093/nar/gkab962

参考文献

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.