יוביקוויטינציה, שינוי פוסט-תרגומי הכרחי, הוא רגולטור קריטי של תפקודי חלבון תוך-תאי1. מערכת האוביקוויטין-פרוטאזום (UPS), המתווכת את פירוק מעל 80% מהחלבונים באאוקריוטים, מורכבת מיוביקוויטין (Ub), אנזימי E1 מפעילים, אנזימי קונוגטציה של E2, ליגזי E3, אנזימי דה-ביקוויטילציה (DUBs) ופרוטאזום2 מסוג 26S. מערכת זו מווסתת את מחזור החלבונים בספציפיות גבוהה, ובכך שולטת בתהליכים תאיים חיוניים כגון התקדמות מחזורהתא 3, העברת אותות 4,5, ותגובות לחץ 6,7. יוביקוויטינציה היא תהליך אנזימטי רב-שלבי. E1 מחבר את ATP לאדנילציה של קצה ה-C של Ub, ויוצר ביניים של Ub-AMP. לאחר מכן, ה-Ub המופעל מועבר מ-E1 לציסטאין באתר הפעיל של אנזים מצמיד E2, ויוצר קשר תיואסטר. לבסוף, ליגז E3 מגייס הן את קומפלקס E2-Ub והן חלבון מטרה, ומזרז את העברת Ub מ-E2 לשארית ליזין על הסובסטרט8.
יוביקוויטין יכול ליצור שרשראות פוליאוביקוויטין מגוונות דרך קישור בשבעה שאריות ליזין (Lys6, Lys11, Lys27, Lys29, Lys33, Lys48, Lys63) או Met1(M1)4. כל סוג קישור קובע תוצאות ביולוגיות שונות: שרשראות מקושרות K48 מכוונות בעיקר לחלבונים לפירוק פרוטאזום9, שרשראות מקושרות K63 מווסתות אותות ותיקון DNA10,11, ושרשראות מקושרות M1 הן קריטיות לתגובות חיסוניות מולדות12. יוביקוויטינציה ודאוביקוויטינציה הם תהליכי שינוי מרכזיים לאחר תרגום השולטים באירועים תאיים מגוונים, החל מפירוק חלבונים ועד העברת אותות. לדוגמה, בסרטן המעי הגס, הפעלה חריגה של יוביקוויטינציה של p53 בתיווך MDM2 גורמת לפירוק מופרז של p53, הפוגעת ביכולתו לגרום לעצירת מחזור תאים ואפופטוזיס, ובכך להוביל להתקדמות הגידול ולכימו-עמידות13,14. בפגיעת איסכמיה-רפווזיה כבדית, OTUD1 מייצב את NRF2 על ידי הסרת הפוליאוביקוויטינציה המקושרת ל-K48 שלו, ובכך מקל על רמות הלחץ החמצוני התוך-תאי15,16. מגוון מעכבי פרוטאזום, כגון בורטסומיבי, קרפילזומיב ואיקאזומיב, נכנסו בהדרגה לפרקטיקה קלינית למחלות כמו מיאלומה נפוצה 17,18,19.
כיום קיימות שיטות רבות לזיהוי חלבונים מאוביקוויטינים, כולל Western blotting, בדיקות מבוססות רדיואקטיביות ובדיקות פלואורסצנציה20. עם זאת, במחקר המדעי, הכתם המערבי נותר השיטה המועדפת לזיהוי אוביקוויטינציה של חלבונים בשל הפרוטוקול המהיר והפשוט יחסית שלו. השיטות המסורתיות לזיהוי חלבונים יוביקוויטיניים דומות לטכנולוגיית קו-אימונופרציפיטציה (co-IP): הן משתמשות בבופר ליזיס כדי לדגור ולליז כדורי תאים בטמפרטורה נמוכה לשחרור חלבונים, ואז משתמשים בנוגדנים לזיהוי האוביקוויטינציה של חלבוני סובסטרט21,22. עם זאת, פרוטוקול ניסויי זה דורש לעיתים קרובות מספר רב של תאים. בנוסף, מכיוון ששיטת הליזה המתונה יחסית בטמפרטורה נמוכה אינה יכולה לשבש לחלוטין אינטראקציות חלבונים, הדבר מעלה את הסיכוי לתוצאות חיוביות שגויות באוביקוויטינציה שמזוהה. חימום ושימוש ב-SDS יכולים להפריע משמעותית למבנה החלבון, לגרום לדנאטורציה מלאה שלהם, ובכך להפחית תוצאות חיוביות שגויות הנגרמות מאינטראקציות חלבון-חלבון 23,24,25. באופן דומה, התאים עוברים פירוק מספק לאחר חימום וטיפול ב-SDS, משחררים יותר חלבונים ובמקביל מפחיתים את כמות התאים הנדרשת לניסוי. לסיכום, גם שיטת אמבטיית הקרח וגם שיטת הטיפול בחום מזהות תאים ומזהות את רמות האוביקוויטינציה של חלבוני הסובסטרט באמצעות דגירה של נוגדנים. עם זאת, שיטת החימום גורמת לפירוק תאים גדול יותר ולחיזוק דנאטורציה של חלבונים.
TGF-β ממלא תפקיד כפול בתהליכים פתופיזיולוגיים של מחלות שונות26,27. SMAD2 הוא גורם שעתוק קריטי במורד הזרם של TGF-β. יוביקוויטינציה מתווכת SMURF2 של SMAD2 מכוונת אותו לפירוק פרוטאזומי, ובכך מכוונת בעדינות את עוצמת איתות TGF-β28. מחקר זה מגדיר ומשווה בין שתי שיטות ניתוק תאים למדידת רמות יוביקוויטינציה בתאי יונקים, תוך שימוש ב-SMURF2/SMAD2 כמודל. כאן, ביטוי יתר של חלבון בתאי HEK293T הושרה על ידי טרנספקציה זמנית עם פלסמידים HA-Ub, FLAG-SMAD2 ו-MYC-SMURF2. התאים עברו פירוק באמצעות שיטת אמבטיית הקרח ושיטת הטיפול בחום, בהתאמה. חלבונים מאוביקוויטינים זוהו באמצעות ניתוח ווסטרן בלוט. מצאנו שגם שיטת אמבטיית הקרח וגם שיטת הטיפול בחום יכולות לשמש לזיהוי רמות יוביקוויטינציה, ושיטת הטיפול בחום עשויה להקל על זיהוי יוביקוויטינציה של SMAD2. פרוטוקול זה מספק אלטרנטיבה חדשה לזיהוי חלבונים יוביקוויטיניים. יתרה מזאת, עבור חלבוני סובסטרט מסוימים הקשורים חזק לאוביקוויטינציה, שיטת הטיפול בחום משיגה יעילות פירוק חלבונים טובה יותר, ובכך מאפשרת זיהוי קל יותר של יוביקוויטינציה.