泛素(ubiquitin).docx

泛素(ubiquitin)存在于所有真核细胞中，是一种高度保守的76个氨基酸残基的蛋白，游离存在于细胞内或共价缀合到各种胞浆、核和整合的膜蛋白上1。泛素要经过一系列步骤才能缀合到底物蛋白上。首先，在一个ATP依赖性反应中，泛素通过其羧基末端甘氨酸经泛素激活酶(ubiquitin-activating enzyme, UBA, E1)共价附着到该E1酶的巯基(thiol)位置；然后，泛素从E1酶被转移到泛素缀合酶(ubiquitin-conjugating enzyme, UBC, E2)的巯基位置；最后，泛素缀合酶(E2)通过在泛素的C-末端甘氨酸与底物蛋白的赖氨酸-氨基基团之间催化形成异肽键而将泛素转移到底物蛋白上。E2酶可直接识别底物蛋白，但在有些情况下则需要通过一种中间物(蛋白或蛋白复合体)的参与，这种中间物被称为泛素蛋白连接酶(ubiquitin-protein ligase, E3)。E2酶传递泛素给E3酶，E3酶选择性识别及多泛素化底物蛋白。E3酶依赖性泛素缀合使底物蛋白进入泛素依赖性蛋白水解途径24。一、 泛素缀合的生物学意义细胞内大量的结构和调节性蛋白经泛素或泛素样蛋白的附着而修饰，蛋白的这种泛素化修饰起打靶信号(targeting signals)的作用，可将修饰的底物蛋白分配到细胞的不同部位、改变其活性、改变大分子间的相互作用及蛋白的半寿期。底物蛋白的多泛素化可使底物蛋白发生26S蛋白酶体介导的泛素依赖性蛋白水解，蛋白的这种及时的选择性降解在细胞的许多代谢过程中起关键作用，如参与细胞周期调控、信号传导、应急反应、受损或错误折叠蛋白的除去以及DNA修复等。泛素依赖性蛋白水解决定了细胞内一些关键蛋白如P53、细胞周期素、转录因子及细胞质多肽的半寿期，许多癌基因如c-myc、c-fos及c-jun等的产物被泛素特异性识别和介导其降解，而底物蛋白的单泛素化则往往以非水解的方式调节底 物蛋白的生物学活性，如参与底物蛋白的稳定性，使底物蛋白重折叠及易位；染色质组蛋白的泛素化而发生的构型改变参与基因的修复、复制及表达的调节等；再如，泛素缀合途径在细胞表面受体及STAT家族转录因子的负调节中也起重要作用1，5，6。酿酒酵母S.cerevisiae是研究真核细胞内蛋白选择性降解的理想模型系统，研究发现酵母S.cerevisiae内有70多个基因参与泛素/蛋白酶体系统，该系统的许多生理性底物即为参与细胞周期和转录调控的关键性调节蛋白7。总之，泛素缀合途径在真核细胞的许多代谢过程中起作用，包括参与核糖体生物形成、细胞周期调控、蛋白激酶活性的调节、受体胞吞的调控、DNA修复、细胞凋亡、应激反应、基因表达等4，6，8，最近还发现，泛素缀合途径与癌相关性脱调控有关，如参与癌性转化、肿瘤进展、免疫监控逃逸及药物抗性等9。泛素缀合途径是可逆性的，细胞内还存在一系列的脱泛素化酶(Dubs)，如酵母S.cerevisiae中有17个基因编码Dubs，目前已知有60多种脱泛素化酶10，11。二、 泛素激活酶及相关蛋白泛素激活酶(UBA , E1)能水解ATP，通过其活性位置的半胱氨酸残基与泛素的羧基末端形成高能硫酯键而激活泛素3。E1酶的序列在酵母、植物和人中高度保守，为单拷贝基因(小麦中则有3个相关的E1基因)。它存在于细胞核和质中，与细胞骨架相结合。哺乳动物细胞内E1酶可被激酶cdc2磷酸化。酵母S.cerevisiae的E1基因(Scuba1)编码分子量114kDa的1024氨基酸残基蛋白质，而人E1基因(Hsuba1)在第41密码子处有一替换起始位点，因此可产生1058氨基酸残基的核型蛋白E1a及1018氨基酸残基的细胞质型蛋白E1b，人E1a氨基末端延伸的40个残基中含有一核定位信号及磷酸化位点，用于该蛋白的核内定位12。酵母S.cerevisiae的基因组上有几个编码E1酶的同源基因(UBA基因)。UBA1是酵母生存必需的，所编码的激活酶用于泛素缀合；UBA2也为酵母生存所必需，编码一种较小的蛋白，在其类似于UBA1的活性位置半胱氨酸处也有一半胱氨酸残基。UBA2突变体编码的蛋白缺乏这一半胱氨酸时，该突变体无法存活，说明这一保守的半胱氨酸残基也参与硫酯键的形成，但是，纯化的UBA2却无法与泛素形成硫酯复合体，表明它可能是通过不同的途径发挥作用的。最近发现UBA2能与另外一种蛋白AOS1一起协同激活SMT3，SMT3与泛素有17%的氨基酸序列相似性，可见，UBA2与AOS1结合形成的异源二聚体具有类似于E1酶的作用3。SMT3类似于泛素，能共价缀合到其它蛋白上，酵母smt3无效突变株不能存活，说明泛素样蛋白的缀合在细胞内也起非常重要的作用。SMT3缀合的功能现在还不清楚，但最近对哺乳动物相关蛋白SUMO-1的研究发现，SUMO-1可能参与蛋白的定位。SUMO-1缀合到RanGAP1上，RanGAP1是RanGTPase的激活蛋白，RanGTPase参与调节核质之间蛋白的转运。SMT3与SUMO-1有50的序列相似性，因此，两者可能起相似的蛋白定位作用3。三、 泛素缀合酶泛素缀合酶(UBC, E2)在泛素和底物蛋白之间催化形成异肽键，E2酶的这一催化作用可单独完成，也可能需要E3酶的帮助。所有已知的真核生物E2酶在一级结构上高度保守，它们都拥有一个约160个氨基酸组成的高度保守的所谓UBC结构域。在这一结构域内，E2酶具有一个特殊的半胱氨酸残基，这一半胱氨酸残基在泛素E2酶硫酯键形成中起作用3，4。E2酶根据它们的结构可分成三类：I类E2酶由进化保守的催化结构域UBC结构域组成，这类E2酶可能需要E3酶的帮助才能对底物蛋白进行泛素化。酵母S.cerevisiae的UBC4和5是这类E2酶的典型代表。I类E2酶已知在许多短命蛋白和异常蛋白的泛素依赖性降解中起重要作用；类E2酶则含催化结构域和一个C-末端延伸结构或C-末端尾。II类E2酶的C-末端尾具有多种功能，如酵母E2酶RAD6/UBC2的尾参与底物蛋白的识别，RAD6尾还可与E3酶相互作用，参与N-末端规则(N-end rule)依赖性蛋白水解途径, 即底物蛋白N-末端氨基酸残基的性质构成一个重要信号，用于泛素缀合途径识别该底物蛋白并介导其水解。酵母UBC6的尾用于附着到内质网膜上，CDC34/UBC3的自我组装依赖于自身的C-末端延伸结构5；类E2酶具有N-末端延伸结构，这类E2酶已发现了几种，但其N-末端延伸结构的功能还不清楚。酵母S.cerevisiae中目前已发现有13种E2酶，参与多种细胞功能：RAD6/UBC2为DNA修复、诱变及酵母出芽所必需。酵母RAD6基因突变株表现出子链缺口复制后修复缺陷，对各种DNA损伤剂极度敏感，自发突变率升高伴诱发突变丧失。此外，rad6无效等位基因酵母株表现出细胞周期受阻、温度敏感性生长、出芽能力丧失及逆转录转座增加等。两个RAD6人同源基因hHR6A和hHR6B也已经被克隆分离；UBC3/CDC34参与细胞周期G1到S期过渡,介导(targets)细胞周期调节因子SIC1及G1期细胞周期素CLN1和CLN2发生泛素/蛋白酶体依赖性蛋白水解；UBC1、UBC4及UBC5用于抵抗各种应激，如慢性热休克或接触氨基酸类似物等；UBC7在细胞抗重金属钙中起作用；UBC6、UBC8基因突变体还没有表型异常的报道；UBC9是必需基因，其编码产物在细胞周期G2/M相中起作用；PAS2/UBC10为过氧化物酶体生物形成所必需，酵母中已发现的这13种UBC基因，仅UBC3和UBC9是生存所必需基因，UBC9通过其SMT3缀合活性在细胞周期进展中起作用，在人体细胞内，UBC9编码产物与RAD51、乳房癌易感基因编码产物BRCA1及BRCA2共定位在配对的减数分裂染色体联会复合体上，UBC9与RAD51相结合可能具有特殊的作用，减数分裂的某些步骤可能是受UBC9介导的SUMO-1缀合的调控3，7，13。四、 泛素蛋白连接酶泛素蛋白连接酶(E3)能识别底物蛋白，使底物蛋白发生选择性泛素化。迄今仅发现少数E3酶，如E3L(large)存在于哺乳动物组织中，参与非N-末端规则蛋白底物如肌动蛋白、肌钙蛋白T及MyoD的泛素缀合及降解。其它的E3酶有E3 alpha/Ubr1、E3 beta及E6-AP等14。E6-AP(E6-associated protein)能与人乳头瘤病毒(HPV)E6癌蛋白相结合形成E6-E6-AP复合体，该复合体与P53特异性相作用，导致P53发生快速的泛素依赖性降解。E6-AP在缺乏E6癌蛋白时单独也具有E3酶活性，研究发现E6-AP在体外能使其自身发生泛素化，表明在体内过量表达状态下，E6-AP能有效地促进其自身降解，E6-AP的自动泛素化及随后的降解起调控细胞内E6-AP水平的作用15，16；在没有感染乳头瘤病毒的人细胞中，不存在E6癌蛋白，这时P53的多聚泛素化降解依赖于癌蛋白MDM2，MDM2受P53的诱导，在P53的泛素依赖