在细胞内,尤其是真核细胞内,蛋白质往往伴有大量的翻译后修饰,如磷酸化、甲基化、乙酰化、糖基化和泛素化等,这些翻译后修饰极大的丰富了细胞内蛋白质的种类和数量。翻译后修饰一般发生在蛋白质的侧链残基或氮端氨基上,可以对蛋白质的结构、稳定性及细胞定位等产生影响。然而,理解其调控的分子机制却比较困难,其中一个主要原因是无法获取足够量、均一翻译后修饰的蛋白。对于含有翻译后修饰蛋白的获取,传统的生物方法,如组织提取、重组表达以及酶法,均存在困难;虽然基因编码非天然氨基酸的策略可以用于部分翻译后修饰蛋白的获取,但其效率一般较低,且难以实现在一个蛋白上同时嵌入多个翻译后修饰。另一方面,化学合成的策略能够以十分灵活的方式获得含有翻译后修饰的蛋白,对阐明蛋白质翻译后修饰信号起到重要的促进作用。本论文,我们主要关注蛋白质的泛素化修饰,重点介绍化学合成策略在解析泛素信号中的作用。泛素化是一种常用的翻译后修饰,参与调控众多基本的生理过程,如蛋白质降解,转录和DNA损伤修复等。泛素化一般通过三种酶(E1,E2,E3)的协同作用实现,即将泛素C端的甘氨酸与底物蛋白的中赖氨酸的侧链氨基通过异肽键相连接。泛素分子自身也可以作为底物蛋白,利用其的N端Met或七个赖氨酸(Lys6,Lys11,Lys27,Lys29,Lys33,Lys48 或 Lys63)形成不同长度的、均一或非均一的多聚泛素链。泛素化形式的差异往往会产生不同的分子信号,比如Lys48泛素链主要作为一种蛋白降解信号,而Lys63泛素链则主要参与非蛋白降解过程。泛素化是一个可逆的过程,可以被一类被称之为DUBs的酶将泛素从靶标蛋白上去除。DUBs功能的紊乱与很多重要的疾病相关,如癌症、神经性疾病等,并且一些DUBs已经成为重要的药物作用靶点。为了监测DUBs的活性以及筛选DUBs的抑制剂,我们发展了像Ub-AMC这样的分子工具。Ub-AMC能够被DUBs水解,产生与DUBs活性相关的荧光信号,已经被广泛的运用于DUBs抑制剂的高通量筛选。Ub-AMC的合成一般通过泛素硫酯的氨解实现,但该方法的产率较低,并伴有非常严重的水解副反应。为此,我们报道了两种合成Ub-AMC的新策略,并通过DUBs水解测试证实了合成的Ub-AMC具有相应的生物活性。泛素化参与调控众多细胞过程,而这主要由泛素识别蛋白负责执行。因此,鉴定细胞内的泛素识别蛋白,尤其是可以选择性识别多聚泛素链的,对理解泛素化修饰的功能及调节机制具有重要的意义。传统的方法主要包括酵母双杂交技术、生物信息法以及亲和力富集的策略,然而这些方法均无法实现从蛋白组学上对泛素识别蛋白进行大规模分析。为此,我们发展了一种新的鉴定泛素识别蛋白方法,该方法主要利用了光亲和共价捕获的策略,可以用于细胞裂解液中泛素识别蛋白富集和鉴定。我们的一个重要发现发现是,仅含有一个泛素单元的探针分子在垂钓泛素识别蛋白时不够凑效,因而至少含有二个泛素单元的探针分子才能满足使用要求。另外,我们还发现,不同连接方式的二泛素探针垂钓效果也不同,因此有必要发展一系列不同多泛素探针来系统地筛查生理与病理过程中的泛素识别蛋白稳态及变化。多泛素探针难以通过生物表达方法来获取,凸显了现代蛋白质化学合成的价值,即在泛素研究中提供了有效的分子工具。