泛素調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)降解途徑

1、,泛素及其調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)降解途徑 學(xué)生：聶瑞紅,,,,2004年10

2、月16日瑞典皇家科學(xué)院將本年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予以色列科學(xué)家阿龍·切哈諾沃、阿夫拉姆·赫什科和美國(guó)科學(xué)家歐文·羅斯，以表彰他們?cè)诜核卣{(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)降解研究領(lǐng)域中的卓越成就。,,,,泛素調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)降解概述,蛋白質(zhì)的降解是一個(gè)精細(xì)控制的過(guò)程，首先有待降解的蛋白質(zhì)被一種多肽（稱之為泛素）所標(biāo)記，接著這些蛋白質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的蛋白酶復(fù)合體中，蛋白酶復(fù)合體是一個(gè)上下有蓋的圓桶狀酵素，它們?nèi)缤?xì)胞的垃圾桶，專門負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)的分解

3、及再循環(huán)利用，泛素在這一過(guò)程中釋出訊號(hào)，讓蛋白酶復(fù)合體分辨出有待降解的蛋白質(zhì)。,,,意義,了解了泛素為媒介的蛋白質(zhì)裂解作用和過(guò)程，使得科學(xué)家對(duì)細(xì)胞如何控制及分裂蛋白質(zhì)的研究有可能深入到分子層級(jí)。而當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)裂解作用發(fā)生異常時(shí)，人體就會(huì)產(chǎn)生不適甚至疾病，如子宮頸癌癥和囊腫纖維癥等，因此，從分子層面角度去了解泛素調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)降解的化學(xué)過(guò)程和機(jī)理，及對(duì)生命過(guò)程進(jìn)一步的探索，具有十分重要的應(yīng)用意義。,,,泛素的結(jié)構(gòu)與組成,泛素含有76個(gè)氨基酸殘基

4、,廣泛存在于真核生物,目前尚未發(fā)現(xiàn)泛素存在于原核生物中，泛素的氨基酸序列極其保守。泛素基因主要編碼兩種泛素前體蛋白質(zhì):一種是多聚泛素,另一種是泛素融合蛋白。,,,泛素—蛋白酶體途徑( upp )的組成,泛素—蛋白酶體途徑( upp )由泛素( ubiquitin, ub)以及一系列相關(guān)的酶組成。除泛素以外還包括4 種酶家族:泛素活化酶( ubiquitin - activating enzyme, E1 ) 、泛素偶連酶( ubiqui

5、tin - conjugating enzymes, E2s)也稱泛素載體蛋白( ubiquitin -carrier protein) 、泛素-蛋白連接酶( ubiquitin - ligating enzymes, E3s)和蛋白酶體(proteasome) 。蛋白的泛素化和去泛素化都需要多種酶介導(dǎo), upp既有高度底物多樣性又具有針對(duì)不同調(diào)控機(jī)制的多樣性。,,,泛素—蛋白酶體途徑( upp )一系列相關(guān)的酶,泛素活化酶(E1)是

6、催化泛素與底物結(jié)合所需的第一個(gè)酶。細(xì)胞內(nèi)僅有單一的泛素活化酶基因。利用不同的轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn),它可產(chǎn)生E1a 和E1b兩種泛素活化酶,它們的生物功能可能有所不同。 泛素偶連酶(E2)是泛素與蛋白底物結(jié)合所需的第二個(gè)酶。細(xì)胞內(nèi)有多種泛素偶連酶基因,大多數(shù)泛素偶連酶有一個(gè)14～16 KD的核心,含有活性所必需的半胱氨酸殘基。在不同的泛素偶連酶間有約35%的同源性,這一區(qū)域可能參與泛素偶連酶和蛋白底物的結(jié)合。 泛素

7、-蛋白連接酶是泛素與底物蛋白結(jié)合所需的第三個(gè)酶。泛素-蛋白連接酶在決定泛素介導(dǎo)的底物降解方面有特殊的作用。不同類型的泛素-蛋白連接酶間缺乏序列同源性,而且分子量差異較大。,,,蛋白酶體是催化泛素與底物蛋白偶聯(lián)體降解的關(guān)鍵酶,包括20 s蛋白酶體和26 s蛋白酶體。26 s是由20 s和19 s復(fù)合體共同結(jié)合裝配而成,此組裝過(guò)程需要耗能。20 s蛋白酶體是主要起催化作用的復(fù)合體,它由14個(gè)不同的蛋白組裝成一個(gè)筒狀結(jié)構(gòu),由內(nèi)層2個(gè)β環(huán)和外層

8、2個(gè)α環(huán)組成, 每個(gè)環(huán)含有7個(gè)亞基,基本結(jié)構(gòu)可書寫成α7β7β7α7。α亞基主要用于底物識(shí)別,β亞基主要參與底物降解。19 s復(fù)合體由17或18個(gè)亞基組成,在特定條件下又可分成2個(gè)次級(jí)復(fù)合物,一個(gè)叫蓋子( lid) ,一個(gè)叫底座( base) 。底座由10個(gè)亞基組成,其中6個(gè)有ATP酶活性,它們與底物泛素化有關(guān),蓋子由8個(gè)沒(méi)有ATP酶活性的亞基組成,其中一個(gè)亞基Rpn11 /Pda / s13在泛素循環(huán)方面起重要作用。,,,26S蛋白酶

9、體的結(jié)構(gòu),,,,細(xì)胞內(nèi)的廢棄物處理裝置——蛋白酶體,,,一個(gè)細(xì)胞大約含30000個(gè)細(xì)胞廢棄物處理裝置即蛋白酶復(fù)合體——蛋白酶體，這些桶狀結(jié)構(gòu)可以幾乎將所有蛋白質(zhì)分解為7-9個(gè)氨基酸長(zhǎng)度的縮氨酸，蛋白酶體的活性表面在桶狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)部。蛋白酶體能辨別出與泛素結(jié)合的蛋白質(zhì)，一旦作為標(biāo)簽的泛素脫離蛋白質(zhì)，即可利用三磷酸腺苷提供的能量改變蛋白質(zhì)的性質(zhì)使其從一端進(jìn)入蛋白酶復(fù)合體內(nèi)發(fā)生降解，并最終以縮氨酸的形式從另一端釋放出來(lái)。這一過(guò)程如此復(fù)雜，需要

10、消耗能量。然而蛋白酶體并不能選擇待降解的蛋白質(zhì)，細(xì)胞內(nèi)主要是通過(guò)E3類酶的特異性選擇并利用泛素加以標(biāo)簽，從而選擇正確的待降解蛋白質(zhì)。,黑點(diǎn)表示活性區(qū)域，蛋白質(zhì)降解的場(chǎng)所,,,,泛素化和去泛素化,泛素通過(guò)E1和E2被激活的過(guò)程稱為泛素的活化。泛素的活化過(guò)程是一個(gè)依賴ATP的酶促反應(yīng)：①首先泛素活化酶( ubiquitin activatingenzyme E1 ) 催化泛素C 末端的甘氨酸( Gly) 形成Ub－腺苷酸中間產(chǎn)物,然后激

11、活的泛素C末端被轉(zhuǎn)移至E1酶內(nèi)Cys殘基的－SH鍵上,形成高能硫酯鍵;②含有高能硫酯鍵的泛素通過(guò)轉(zhuǎn)酰基作用使其進(jìn)一步轉(zhuǎn)移到泛素載體蛋白( ubiquitin conjugating enzyme, E2)特異的Cys殘基上,形成E2－Ub巰基酯;E2－Ub巰基酯提供泛素分子,使泛素C端甘氨酸與底物蛋白的Lys殘基的氨基形成共價(jià)鍵,由第一個(gè)泛素單體與底物蛋白內(nèi)部的Lys殘基的ε氨基(或β氨基)結(jié)合;,,,③泛素可以直接從E2轉(zhuǎn)移給底物蛋

12、白形成Ub蛋白復(fù)合物,這時(shí)的底物多是些堿性蛋白(如組蛋白) ,而在大多數(shù)情況下,底物蛋白先與泛素連接酶( ubiquitin ligating enzyme, E3)特異性結(jié)合,E3可使E2和底物蛋白相互接近,繼而蛋白底物與E2酶連接的泛素結(jié)合,這樣就完成了底物蛋白質(zhì)的泛素化。1和3：E1、E2催化的泛素激活反應(yīng)，消耗ATP；2：E3催化的蛋白質(zhì)激活反應(yīng)，消耗ATP；4：依賴于E3的蛋白質(zhì)泛素化反應(yīng)；5：不依賴于E3的蛋白

13、質(zhì)泛素化反應(yīng)；6：26S蛋白體催化蛋白質(zhì)水解；7和8：異肽酶催化的水解反應(yīng)，使泛素游離出來(lái)。,,,去泛素化作用是泛素化過(guò)程的逆轉(zhuǎn)。在真核細(xì)胞內(nèi)已發(fā)現(xiàn)多種去泛素化酶,它們能夠水解泛素和底物蛋白之間的硫酯鍵,還能把錯(cuò)誤識(shí)別的底物從泛素化復(fù)合體中釋放出來(lái)。它們又可以分為兩類:（1）泛素羧端水解酶( ubiquitin C - terminal hydrolases (UCHs) )：分子量為20～30 KD,水解去除和泛素C末端連接的小肽,

14、也參與泛素多聚體產(chǎn)生泛素單體的過(guò)程,促進(jìn)泛素再循環(huán),對(duì)泛素系統(tǒng)的正常運(yùn)行是很有必要的。（2）泛素特異性加工酶( ubiquitin - spicific prote2ases - UBPs/USPs)：分子量大約為100 KD,參與去除和解聚底物蛋白質(zhì)上的多聚泛素鍵,從而防止多聚泛素在底物蛋白的聚集。,,,泛素—蛋白酶體途徑( upp )介導(dǎo)的蛋白水解過(guò)程,由泛素介導(dǎo)的蛋白水解過(guò)程,分為2個(gè)階段。第一階段:多個(gè)泛素分子與靶蛋白共價(jià)結(jié)合

15、。首先,泛素經(jīng)泛素活化酶E1 活化,泛素上76位的Gly與泛素活化酶上特殊的Cys殘基形成一個(gè)高能硫酯鍵,并伴有ATP水解; 然后,通過(guò)轉(zhuǎn)酯作用,泛素從泛素活化酶轉(zhuǎn)移到泛素結(jié)合酶E2 的Cys上,形成泛素結(jié)合酶- 泛素;最后,在泛素連接酶E3 參與下,泛素又從泛素結(jié)合酶轉(zhuǎn)移到受體蛋白(靶蛋白)的Lys殘基上,形成泛素- 靶蛋白,使靶蛋白發(fā)生泛素化。多個(gè)遍泛素分子重復(fù)地附加到靶蛋白上,則形成分枝的多Ub鏈。泛素共有7個(gè)Lys殘基,在多聚泛

16、素鏈結(jié)構(gòu)中,其中一個(gè)泛素的C - 末端Gly與相鄰的泛素之間通過(guò)Lys48、Lys63或Lys29連接。,,,,,第二階段: 靶蛋白在26 s蛋白酶體的作用下,由泛素介導(dǎo)的蛋白水解過(guò)程。經(jīng)泛素活化的底物蛋白被展平后,通過(guò)兩個(gè)狹孔,進(jìn)入26 s蛋白酶體的催化中心,蛋白降解在20 s蛋白酶體內(nèi)部發(fā)生。進(jìn)入26 s蛋白酶體的底物蛋白質(zhì)被多次切割,最后形成3～22個(gè)氨基酸殘基的小肽。整個(gè)流程分為以下六個(gè)步驟：1、E1類酶激活泛素，該過(guò)程需要

17、ATP（三磷酸腺苷）提供一定能量；2、泛素轉(zhuǎn)移至E2類酶；3、E3類酶具有特異性，可以識(shí)別出需破壞的目標(biāo)蛋白質(zhì)，與目標(biāo)蛋白質(zhì)接近的E2-泛素復(fù)合體將泛素轉(zhuǎn)移至目標(biāo)蛋白質(zhì)；4、E3類酶釋放出被泛素標(biāo)記的蛋白質(zhì)；5、被標(biāo)記的蛋白質(zhì)分子尾端形成一小段泛素分子鏈；6、泛素分子鏈在蛋白酶體的端口被識(shí)別并脫離蛋白質(zhì)，目標(biāo)蛋白質(zhì)進(jìn)入蛋白酶復(fù)合體的桶狀通道最終降解為縮氨酸并由另一端口釋放出去。,,,UPP參與的生物學(xué)功能,1、抗原提呈：抗原分

18、子泛素化后被26 s蛋白酶體降解成多肽,然后由組織相容性復(fù)合體(MHC) I類分子提呈到細(xì)胞表面,再被細(xì)胞毒性T細(xì)胞(CTL)識(shí)別。2、調(diào)節(jié)細(xì)胞周期： UPP調(diào)節(jié)降解調(diào)節(jié)蛋白,如細(xì)胞周期因子、信號(hào)傳導(dǎo)蛋白等,在控制細(xì)胞周期尤其是生殖細(xì)胞方面起重要作用。細(xì)胞周期因子先被泛素化,然后由26 s蛋白酶體降解,導(dǎo)致周期因子依賴的激酶失活,從而使細(xì)胞有絲分裂期中止。細(xì)胞周期因子- 周期因子依賴的激酶復(fù)合體可由它們特定的抑制因子使其失活,這些抑制

19、因子也由泛素- 蛋白酶體途徑降解。,,,UPP與疾病,UPP與許多人類疾病有關(guān)。與泛素相關(guān)的疾病可分為2種:一種是泛素體系酶的突變導(dǎo)致的功能喪失或者是目標(biāo)底物蛋白識(shí)別基序的改變,而導(dǎo)致某種蛋白的穩(wěn)定。另一種是目標(biāo)蛋白功能不正?；蚣铀俳到獾慕Y(jié)果。泛素蛋白酶體途徑是細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因素,細(xì)胞的許多重要蛋白都在此通路的調(diào)控之下。 泛素蛋白酶體通路對(duì)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)及細(xì)胞生長(zhǎng)調(diào)控是一個(gè)很重要的調(diào)節(jié)因素,并與許多生理及病

20、理過(guò)程密切相關(guān)。,,,腫瘤發(fā)病機(jī)制中的作用,泛素蛋白酶體通路在腫瘤的發(fā)病機(jī)制中起重要作用。腫瘤可以起因于癌基因蛋白生長(zhǎng)促進(jìn)因子的穩(wěn)定或由于腫瘤抑癌基因的不穩(wěn)定。某些常規(guī)通過(guò)蛋白酶體降解的癌基因蛋白,如果不能及時(shí)地從細(xì)胞中清除,就會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞惡變。,,,神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)病機(jī)制中的作用,近年來(lái)發(fā)現(xiàn)泛素系統(tǒng)也與神經(jīng)細(xì)胞變性有關(guān)。如引起帕金森病的一個(gè)重要因子是Parkin,后者是泛素和蛋白的E3連接酶,能與E2 UbcH7 和UbcH8 共同作用,

21、而Parkin自身也是經(jīng)泛素化調(diào)節(jié)降解,一旦Parkin變性,影響某些蛋白降解,就會(huì)引起多巴胺類神經(jīng)元的毒性損傷而引起常染色體隱性少年型帕金森病( autosomal recessive juvenile parkinsomism)。,,,小 結(jié),泛素-蛋白酶體途徑是調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)蛋白水平與功能的重要機(jī)制,涉及許多重要的生理過(guò)程和許多疾病及腫瘤的發(fā)病機(jī)制。盡管泛素蛋白酶體途徑與人類疾病機(jī)制的關(guān)系還有待于進(jìn)一步的研究,但此途徑為人類克服許多