综述：UFMylation系统：生物学功能、分子机制、疾病与药物发现

《MedComm》：UFMylation System: Biological Functions, Molecular Mechanisms, Diseases, and Drug Discovery

本综述系统总结了UFMylation的生化特性、在疾病进展中的多方面作用及其在关键通路（如雌激素受体信号、铁死亡抑制、核糖体功能和基因组稳定性）中的分子机制，重点探讨了UFMylation在肿瘤免疫、癌症干细胞性和转移中的双重作用，并展望了靶向UFMylation成分的治疗潜力。

　　

UFMylation系统的组成与过程

UFMylation是一种新型泛素样修饰，在多种交织的细胞过程中发挥关键作用，如免疫反应、DNA损伤修复、未折叠蛋白反应（UPR）、自噬、内质网（ER）自噬、干细胞自我更新、凋亡和转移。UFMylation系统的核心成分包括UFM1、UBA5（泛素样修饰物激活酶5）、UFC1（泛素折叠修饰物结合酶1）、UFL1（UFM1特异性连接酶1）、UFBP1（UFM1结合蛋白1，也称为DDRGK1）、CDK5RAP3（CDK5调节亚基相关蛋白3）以及去UFMylation酶UFSP1和UFSP2。UFMylation过程高度动态：前体UFM1经UFSP1/2催化切除C端Ser-Cys暴露甘氨酸残基而成熟；成熟UFM1被UBA5激活并形成硫酯键；UFC1通过转硫酯化接受激活的UFM1；最后UFL1与UFBP1、CDK5RAP3形成复合物，将UFM1转移至底物。去UFMylation由UFSP1/2执行，防止过度修饰。

UFM1成熟与激活

UFM1含85个氨基酸，成熟后C端为甘氨酸，可形成异肽键与靶蛋白赖氨酸结合。与泛素不同，UFM1主要形成单UFMylation，虽报道有K69连接的链，但其他赖氨酸残基（K3、K7、K19、K34、K41）不参与链形成。UFM1与泛素序列同一性仅15%，但具有类似折叠（四β链和两α螺旋），主要定位于细胞核，提示其可能主要修饰核蛋白并调控DNA损伤修复、基因表达和染色质组装等过程。UBA5作为非常规E1酶，通过同源二聚化激活UFM1：其腺苷化域（AD）结合ATP形成UFM1-AMP中间体，催化半胱氨酸250（Cys250）攻击UFM1C端甘氨酸，释放AMP并形成UBA5-UFM1二元复合物。UBA5的C端尾含UFM1相互作用序列（UIS）和UFC1结合位点（UBS），对UFM1转移至关重要。UBA5过表达或缺失均导致不良效应，表明细胞需维持最佳UBA5活性。

UFC1与UFM1结合

UFC1是UFMylation系统中唯一的E2酶，分子量19.4 kDa，缺乏其他E2保守的HPN催化基序，取而代之的是T106-A108-K108（TAK）基序及催化半胱氨酸116（Cys116）。UFC1通过疏水口袋与UBA5的UBS结合，促进UFM1从UBA5转移至UFC1。UFC1的N端α0螺旋可适应不同底物，但其缺失反而增强UFMylation活性，表明α0可能抑制UFC1功能。UFC1还以更高亲和力与UFL1相互作用，确保UFM1高效转移至底物。

UFL1 E3连接酶复合物与UFM1连接

UFL1是当前唯一已知的UFMylation E3酶，含794个氨基酸，通过 transmembrane域锚定于ER膜，并含核定位信号（NLS）可进入细胞核。UFL1自身不稳定且无活性，需与UFBP1和CDK5RAP3形成复合物以维持稳定性、活性和底物特异性。UFL1与UFBP1通过部分翼状螺旋（pWH）结构域互补形成复合翼状螺旋域，增强复合物稳定性。UFL1作为支架E3，类似RING E3，与E2协作将UFM1从E2转移至底物赖氨酸。CDK5RAP3作为次级衔接蛋白，调节UFL1-UFBP1复合物活性及底物特异性，例如抑制UFBP1的K267 UFMylation，但促进核糖体蛋白L26（RPL26）的UFMylation。

UFSP1/UFSP2与去UFMylation

UFSP1和UFSP2是半胱氨酸蛋白酶，负责UFM1成熟（切除前体C端残基）和去UFMylation（从修饰底物移除UFM1）。UFSP2广泛存在于多细胞生物，而UFSP1在植物和线虫中缺失。研究发现UFSP1存在长、短两种异构体（分别从CUG和AUG密码子起始翻译），其中长型UFSP1具有活性，可成熟UFM1并去UFMylation UFC1，而UFSP2主要去UFMylation RPL26。两者细胞定位不同（UFSP1在胞质，UFSP2在ER膜），可能决定功能差异。

UFMylation在癌症中的多种功能

UFMylation在癌症中发挥双重作用，既可促进肿瘤进展，也可抑制恶性肿瘤，具体取决于底物特异性和细胞微环境。

UFMylation对蛋白质稳态不可或缺

UFMylation通过修饰核糖体相关蛋白（RAPs）和翻译起始因子调控翻译。UFM化的eIF6、RPL10、RPS3和RPS20增强核糖体组装和mRNA-核糖体相互作用，促进翻译。eIF4G1 UFMylation（K729和K726）促进eIF4E复合物形成，增强50%蛋白质（包括多数核糖体蛋白和细胞周期蛋白CCND1）的翻译，从而促进HeLa和U2OS细胞增殖。RPL26 UFMylation（K132和K134）在核糖体停滞时招募UFL1-UFBP1-CDK5RAP3-UFM1复合物，形成C形钳结构包裹60S核糖体亚基， dissociate SEC61转位子复合物，回收60S亚基并降解停滞的不完整新生肽 via溶酶体。SAYSD1识别UFM化核糖体，清除 translocation停滞蛋白，维持ER蛋白质稳态。UFL1和UFBP1还以UFMylation非依赖方式调控COP II vesicles招募、ER-高尔基体运输和某些GPCRs的细胞表面递送。

UFMylation参与自噬和ER-自噬

VCP/p97 UFMylation（K109）促进ATXN3介导的BECN1去泛素化和稳定性，增强PtdIns3K复合物组装，诱导自噬。核糖体停滞诱导RPL26和RPN1 UFMylation，CDK5RAP3识别修饰蛋白并与LC3结合，增强ER亚域与自噬体膜关联，诱发ER-自噬并抑制IRE1α介导的UPR。CYB5R3 UFMylation（K214）使其构象关闭、失活，CDK5RAP3桥接UFM化CYB5R3与LC3，诱导ER-自噬降解CYB5R3。

UFMylation微调UPR信号通路

UFBP1 UFMylation（K267）稳定未磷酸化IRE1α并抑制PERK磷酸化，激活IRE1α-XBP1s轴、抑制PERK-eIF2α-CHOP通路，防止癌细胞凋亡。UFL1 UFM化P4HB（K69、K114、K130）增强其稳定性，缓解氧化应激和ER应激。UFL1-UFBP1复合物UFM化HRD1（K610）抑制其泛素化降解，进而降低IRE1α、PERK、p-PERK和XBP1s水平，抑制UPR和凋亡。在神经母细胞瘤细胞，MEIS2通过超级增强子促进CDK5RAP3表达，后者协助UFL1-UFBP1复合物UFM化并稳定MEIS2，下调IRE1α和PERK通路，维持ER稳态。相反，UFMylation缺失可增强IRE1α磷酸化，触发保护性UPR并增加Bcl-xL依赖性，促进TKI耐受细胞存活。UFBP1还促进NRF2泛素化降解，升高ROS水平，诱导UPR相关凋亡。

UFMylation精细调控基因组稳定性

UFMylation通过多种机制参与DNA损伤应答（DDR）。DSB发生时，MRN复合物招募UFL1 UFM化组蛋白H4（K31），SUV39H1识别修饰并催化H3K9me3，为TIP60提供平台以乙酰化并激活ATM；ATM反之磷酸化UFL1（S462），形成正反馈环。UFL1还直接UFM化MRE11（K282），促进MRN复合物组装及在DSB位点富集。复制应激时，UFL1 UFM化PARP1（K548）增强其PARylation活性，促进CHK1激活和MRE11介导的新生DNA resection，重启停滞复制叉；在BRCA2缺陷细胞，则导致过度 resection和复制叉坍塌。UFL1还UFM化PTIP（K148），促进PTIP-MLL3/4复合物组装，富集H3K4me1/me3并招募MRE11至停滞复制叉，降解新生DNA。此外，UFL1 UFM化p53（K351、K357、K370、K373）抑制MDM2介导的泛素化降解，稳定p53以维持基因组稳定性。

UFMylation调控肿瘤免疫

UFMylation通过PD-1/PD-L1轴调节免疫应答。PLAC8 UFMylation增强其稳定性，进而抑制PD-L1泛素化降解，上调PD-L1水平，抑制T淋巴细胞活性，促进TNBC生长。相反，PD-L1自身UFMylation（K75、K89、K105、K162、K280、K281）促进其泛素化和降解，增强T细胞抗肿瘤免疫。在T细胞，UFL1 UFM化PD-1（K210、K233）抑制其泛素化降解，增强免疫抑制；AMPK磷酸化UFL1（T536）增强其与14-3-3相互作用，减少UFL1-PD-1结合和PD-1 UFMylation， destabilize PD-1，促进T细胞活化。病毒感染也调控UFMylation：EBV BILF1诱导MAVS UFMylation（K461），招募PARK2泛素化并 packaging进MDVs，溶酶体降解，抑制MAVS-NLRP3炎症小体激活和 pyroptosis；HSV-1和VACV下调UFL1水平，增强TRIM29介导的STING泛素化降解，抑制I型 IFN和炎症因子产生；SenV感染则增强UFL1与14-3-3ε相互作用，促进14-3-3ε UFMylation，增强RIG-I-MAVS先天免疫信号。

UFMylation调节雌激素相关转录

在ER⁺乳腺癌，17β-雌二醇刺激下，ERα竞争结合ASC1， UFL1-UFBP1复合物UFM化ASC1（K324、K325、K334、K367），为SRC1和p300提供富集平台，增强ERα靶基因转录；同时ERα自身UFM化（K171、K180）防止泛素化降解，双重促进肿瘤生长。UFMylation成分在ER⁺乳腺组织中均上调。

UFMylation控制癌细胞铁死亡

SLC7A11 UFMylation增强其稳定性，增加胱氨酸 import和GSH合成，促进GPX4活性抑制铁死亡。二甲双胍下调UFM1表达，减少SLC7A11 UFMylation，抑制ER⁺乳腺癌生长。在PDAC，MCP1促进PIR UFMylation（K5、K6）防止其降解，稳定PIR与NFIC相互作用刺激GPX4转录，抑制铁死亡；同时PIR阻断HMGB1胞质运输，灭活抗肿瘤M1样巨噬细胞。

UFMylation促进癌细胞干性和转移

RPL10 UFMylation（K30、K101）增加多能性因子KLF4及其下游靶点（ALDH1、CD44、CD24）表达，维持PAAD干细胞干性。在胶质母细胞瘤干细胞，UBA5、UFC1或UFL1敲低或UBA5抑制剂处理显著损害自我更新和增殖。PDK1 UFMylation增强其泛素化降解，抑制AKT1和GSK-3β活性，降低EMT基因（vimentin、Snail、N-cadherin）表达，减弱胃癌转移；UFM1下调则促进转移。

UFMylation参与脂质合成和细胞骨架动力学

ACSL3缺失降低UBA5、UFL1、UFBP1在ER膜稳定性，脂滴形成下调这些蛋白水平。UFMylation可能通过PDK1-AKT-mTOR轴调控脂质合成关键酶（ACLY、ACC1、FASN、ACSS2、SCD1、HMGCR）表达。肝细胞中UFBP1缺失通过调节ER应激增加 lipogenesis和脂质积累。UFL1缺失降低mTOR磷酸化和脂肪合成相关基因（FASN、CIDEA、ACC1）表达。KIF11 UFMylation（K1000或K953）稳定其与微管相互作用，确保纺锤体组装和染色体准确分离，或调控纤毛基底部定位维持视网膜稳态。

UFMylation在非肿瘤疾病中的作用

UFMylation系统功能障碍导致多种非肿瘤疾病。神经系统：UFM1缺失引起小头畸形和神经元凋亡；UBA5突变导致发育性癫痫性脑病44（DEE44）；UFC1突变引起小头畸形、早期婴儿脑病和难治性癫痫。造血系统：UBA5或UFL1缺失导致严重贫血和胚胎致死；UFBP1和CDK5RAP3缺陷引起红细胞功能受损和HSC缺陷。软骨发育：UFBP1缺失导致生长板紊乱、肢体缩短和关节异常；UFSP2失活突变引起Beukes髋发育不良（BHD）。肝脏及其他器官：UFL1和UFBP1缺失导致肝损伤、脂肪肝和肝癌易感性；CDK5RAP3部分缺失引起肝发育不全；UFL1缺失心肌细胞导致扩张型心肌病和心力衰竭；肾脏中则诱发ER应激和PERK信号激活导致肾功能不全。

UFMylation系统的临床意义

UFMylation成分作为诊断生物标志物和治疗靶点具有潜力。在ER⁺乳腺癌、PDAC、TNBC等多种癌症中，UFMylation成分表达与肿瘤进展和不良预后相关。靶向抑制剂如DKM 2-93（共价抑制UBA5）、Compound-8（抑制UFSP2）在体内外显示抗肿瘤效果。联合治疗（如UFSP2抑制剂与抗PD-1抗体）增强肿瘤抑制。未来需开发UFL1、UFC1抑制剂，并探索PROTAC和分子胶等技术。

结语

UFMylation系统研究虽取得进展，但仍面临挑战：全面鉴定底物、解析上游信号和调控机制、阐明与其他PTMs（如泛素化、磷酸化、SUMO化）的交叉对话、识别"阅读器"分子（如UFL1-UFBP1-UFM1-CDK5RAP3复合物和SAYSD1）、探索UFMylation非依赖功能。解决这些问题将深化对UFMylation在疾病中作用的理解，推动靶向治疗策略发展。