UFMylation已成为国自然关注的热点，下面我们将从背景介绍、研究手段、方法、结果分析等角度深入解析这一主题。
一、【背景介绍】UFMylation是什么？
UFMylation是一种较为新型的泛素样修饰，其名称来源于“Ubiquitin-fold modifier 1”（UFM1）。这种修饰过程类似于泛素化，涉及到将UFM1蛋白质通过共价键连接到靶蛋白上。UFMylation在细胞生理过程中起到重要作用，包括细胞应激反应、蛋白质稳定性调控、细胞分化以及各种疾病的发生过程中。
1. UFMylation的组成与激活
UFMylation系统由几个关键组成部分组成：
UFM1：这是UFMylation过程中的主要修饰分子，结构上类似于泛素。
E1激活酶（如UBA5）：首先激活UFM1，并将其与ATP一起形成高能硫酯键。
E2结合酶（如UFC1）：接收激活的UFM1，并将其转移到特定的底物上。
E3连接酶：促进UFM1与底物蛋白的具体连接。虽然E3连接酶的具体成员较少，但它们在UFMylation的底物特异性中起着关键作用。
2. UFMylation的机制
在UFMylation过程中，UFM1首先由E1激活酶（UBA5）激活，在ATP的消耗下形成UFM1与E1之间的硫酯键。然后，激活的UFM1通过硫酯键转移到E2结合酶（UFC1）。最终，E3连接酶介导UFM1与特定底物蛋白的结合，形成共价键。
3. UFMylation的功能与生物学意义
蛋白质稳定性和降解：UFMylation可以影响蛋白质的稳定性，通过修饰防止其被泛素-蛋白酶体系统降解。
细胞应激反应：在ER应激和其他细胞应激情况下，UFMylation的活动增加，帮助细胞适应不良的生理状态。
细胞分化与发育：UFMylation在某些细胞类型的分化过程中扮演角色，尤其是在神经系统和免疫系统中。
疾病关联：异常的UFMylation活动与多种疾病的发生发展相关，如癌症、神经退行性疾病等。
UFMylation虽然是一个较新的研究领域，但其在细胞生理和病理过程中的重要作用逐渐被揭示，为开发新的治疗策略提供了可能的靶点。
二、【研究手段与方法】UFMylation如何研究？
UFMylation的研究涉及多种技术手段和检测指标，以解析其复杂的生化途径和调控机制。以下是一些关键的研究方法和技术：
1. 基因编辑技术
CRISPR/Cas9系统：用于敲除或敲低UFM1及其相关酶（如UBA5、UFC1等）的基因，以研究其功能缺失对细胞生理和病理状态的影响。
siRNA和shRNA技术：通过这些技术降低UFM1及相关蛋白的表达，用于初步验证基因功能和调控网络。
2. 蛋白质相互作用研究
共免疫沉淀（Co-IP）：通过免疫沉淀配合西方印迹（Western blot）检测UFM1与其他蛋白的相互作用。
质谱分析：用于鉴定UFM1修饰的底物和交互蛋白，进一步揭示其功能和调控机制。
3. 活性和底物特异性分析
体外酶活性测定：通过重组蛋白和合成底物，测试UFM1的E1、E2和E3酶的活性，以及它们的底物特异性。
底物识别实验：使用标记的UFM1蛋白（如带有His标签的UFM1），在体外系统中筛选其潜在的底物。
4. 细胞功能分析
细胞增殖和凋亡分析：使用流式细胞仪或细胞存活率检测技术，如MTT、CCK-8试验，评估UFMylation对细胞生长和存活的影响。
细胞应激反应实验：通过诱导ER应激或氧化应激，研究UFMylation在应激响应中的角色。
5. 原位和活体成像
免疫荧光和共聚焦显微镜技术：通过这些技术观察UFM1及相关蛋白在细胞中的定位和动态变化。
活体成像技术：利用荧光标记的转基因动物模型，研究UFMylation在整个生物体中的作用和功能。
6. 疾病模型和病理分析
动物模型：构建特定基因敲除或过表达的小鼠模型，用于研究UFMylation在疾病（如癌症、神经退行性疾病）中的作用。
病理学分析：在这些模型中进行组织学和病理学分析，以评估UFMylation对组织结构和功能的影响。
三、【结果分析】UFMylation实验结果怎么看？
下面我们来举2个例子带大家一键看懂UFMylation实验结果。
1. Co-IP检测发现二甲双胍有效抑制了SLC7A11 UFM化水平
（PMID：34162423，《Journal of Experimental & Clinical Cancer Research》，中科院一区，IF：11.3）
1）免疫沉淀结果 (IP)
图例：Co-IP实验中使用Flag标签免疫沉淀了SLC7A11，并使用抗Flag抗体检测沉淀效果。
条带解析：
SLC7A11-UFM化共轭：出现在约130 KD的位置，显示了UFM化后的SLC7A11。在添加了二甲双胍（Metformin）的条件下，此条带明显变淡，表示UFM化水平降低。
对比数字（1 和 0.13）：这些数字可能代表相对定量分析，显示二甲双胍处理组的UFM化水平显著下降到约13%的原水平。
2）输入 (INPUT)
SLC7A11：显示了细胞裂解液中SLC7A11蛋白的整体水平，证明了样品中SLC7A11的存在，并帮助确认免疫沉淀的输入材料一致性。
UFM1：显示了UFM1蛋白的表达水平，确保实验中UFM1蛋白的可用性。
GAPDH：作为内参蛋白，确保各组样品蛋白总量的一致性。
3）实验设计
实验条件：
HA-UFM1, HA-UBA5, HA-UFC1, HA-UFL1：这些标签表明使用了带有HA标签的UFM1系统相关蛋白，便于后续的检测和分析。
Metformin：用于测试二甲双胍对UFM1修饰水平的影响。
2. 质谱分析检测到 PD-L1 的K89 和 K162 可以被 UFM1 共价修饰。
（PMID：36893266，《PNAS》，中科院一区，IF：11.1）
1）质谱图的组成
横轴：表示质荷比（m/z）。
纵轴：表示相对强度（百分比），用来显示不同质荷比离子的相对丰度。
峰标注：图中使用不同颜色的标签（如y和b系列离子标签）标注了主要的裂解离子。y系列离子是从肽的C端开始计数，而b系列离子是从N端开始。
2）解读修饰位点
修饰位点的证据：
在这种分析中，特定的离子峰（如y和b系列）会因为UFM1修饰而显示特征的质量偏移。例如，UFM1修饰会在特定的K（赖氨酸）残基上增加特定的质量（大约为8.5 kDa，UFM1蛋白的质量）。
图中的氨基酸序列（底部）显示了预期的裂解位点，如果K89和K162被修饰，相关的y和b系列离子的质量会相应增加。
3）分析峰的强度和模式
寻找与修饰相关的质量增加：如果K89和K162位点被UFM1修饰，那么在这些位置周围的y和b系列离子的峰应该会显示出相对于未修饰状态更高的质量。
四、【国自然中标统计】UFMylation热度如何？
2023年医学科学部“UFMylation”中标项目5个，热度逐渐攀升。
题目 | 项目 |
HIF-1α的UFMylation修饰在肿瘤低氧微环境及治疗中的作用和机制研究 | 面上项目 |
UFMylation修饰增强KAT8蛋白稳态促进肿瘤免疫逃逸的机制研究 | 面上项目 |
METTL1上调破骨细胞BMP2 UFMylation修饰在强直性脊柱炎病理性成骨中的作用机制研究 | 面上项目 |
Ufmylation修饰调控NF-κB介导TNF/IL6/STAT3信号通路在DBP致小鼠睾丸铁死亡的机制研究 | 地区科学基金项目 |
UBA5介导的UFM化调控软骨细胞铁死亡在骨关节炎进展中的作用及机制研究 | 面上项目 |
中标项目
总而言之，UFMylation作为一种新兴的蛋白质修饰方式，在细胞生理和病理过程中的作用越来越受到关注。随着国自然科学基金对此领域研究的大力支持，未来几年，我们预计将看到UFMylation研究在解析蛋白质稳定性、细胞应激响应以及疾病发展等方面取得更多突破。持续的基础研究和技术创新将推动我们深入理解UFMylation的复杂机制，并可能促进新的治疗方法的发展，特别是在癌症和神经退行性疾病等临床难题中，提供新的策略和靶点。这些研究不仅有望揭示细胞内信号传导的新层面，也为未来的临床应用奠定科学基础。
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2024年度国自然医学部50大科研热点的中标数统计如下：
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