泛素蛋白酶体途径.ppt

,蛋白质降解的蹊径泛素-蛋白酶途径,一、发现的过程二、泛素-蛋白酶途径概述三、泛素蛋白酶体途径(upp)的组成四、泛素蛋白酶体途径过程五、UPP途径生物学意义六小结,阿龙切哈诺沃出生时间：1947年出生地：以色列海法市国籍：以色列学位：1981年以色列理工学院医学博士学位获得成果时间：20世纪70年代末和80年代初获得成果地点：以色列理工学院美国费城福克斯切斯癌症研究中心获奖年龄：57岁现任职地点：以色列理工学院，该学院生物化学部的教授，同时兼任拉帕波特医学研究学院的负责人。,阿弗拉姆赫尔什科出生时间：1937年出生地：匈牙利考尔曹格国籍：以色列学位：1969年以色列耶路撒冷希伯莱大学哈达萨赫医学院医学博士学位获得成果时间：20世纪70年代末和80年代初获得成果地点：以色列理工学院美国费城福克斯切斯癌症研究中心获奖年龄：67岁现任职地点：以色列理工学院，该学院拉帕波特医学研究学院的著名教授。,欧文罗斯出生时间：1920年出生地：美国纽约国籍：美国学位：1952年美国芝加哥大学博士学位获得成果时间：20世纪70年代末和80年代初获得成果地点：美国费城福克斯切斯癌症研究中心获奖年龄：78岁现任职地点：美国加州大学医学院，该学院生理学和生物物理学系资深专家。,一、发现的过程,1、二十世纪70年代蛋白质的研究状况：科学家关于蛋白质如何“诞生”的研究成果很多，迄今为止至少有5次诺贝尔奖授予了从事这方面研究的科学家，但关于蛋白质是如何“死亡”的研究却相对较少。2、三位科学家的兴趣所在：A.蛋白质在细胞内到底是如何“死亡”的？B.为什么细胞需要能量来降解蛋白质？,3、三名科学家的汇合：20世纪70年代末期，切哈诺沃和赫尔什科以停薪留职的方式前往美国，与当时正在费城福克斯切斯癌症研究中心从事研究工作的罗斯汇合，开始进行他们的研究工作。,4、发现泛素分子1979年，当三人试图用层析法去掉血红蛋白时，他们发现萃取液分成了两个部分，每个单独的部分处于静止状态，但一旦将两个部分重新融合在一起，依靠ATP的蛋白质降解过程被再次启动。在其中一部分溶液中活跃的成份是一个具有热稳定性的多肽，这个多肽含有一个分子量为9000的分子，并将这个分子取名为APF-1，即溶液1中的基本活跃因子，后来证实这个蛋白质就是泛素。,5、发现蛋白质降解过程的机理70年代末80年代初，三位科学家继续进行泛素分子的研究，进一步发现了泛素分子调节蛋白质降解的机理，从而解释了蛋白质在细胞内“死亡”的过程。,2004年10月16日瑞典皇家科学院将本年度诺贝尔化学奖授予以色列科学家阿龙切哈诺沃、阿夫拉姆赫什科和美国科学家欧文罗斯，以表彰他们在泛素调节的蛋白质降解研究领域中的卓越成就。,生物体内存在着两类蛋白质降解过程，一种是不需要能量的，比如发生在消化道中的降解，这一过程只需要蛋白质降解酶参与，可以在小肠内将食物降解为氨基酸；另一种则需要能量，它是一种高效率、指向性很强的降解过程。比如多数细胞内的蛋白质降解需要能量，这是由于在细胞内蛋白质的降解过程中发生了一系列的反应，最终使得将要被降解的蛋白质被一种多肽链所标记，这就意味着细胞对蛋白质降解具有很高的选择性，这种标记势必需要一定的能量，而这种能量在生物体内是以三磷酸腺苷的形式提供的。,二、泛素-蛋白酶途径概述,蛋白质的降解是一个精细控制的过程，首先有待降解的蛋白质被一种多肽（称之为泛素）所标记，接着这些蛋白质进入细胞的蛋白酶复合体中，蛋白酶复合体是一个上下有盖的圆桶状酵素，它们如同细胞的垃圾桶，专门负责蛋白质的分解及再循环利用，泛素在这一过程中释出讯号，让蛋白酶复合体分辨出有待降解的蛋白质。,二、泛素-蛋白酶途径概述,三、泛素蛋白酶体途径(upp)的组成,泛素蛋白酶体途径(upp)由泛素(ubiquitin,ub)以及一系列相关的酶组成。除泛素以外还包括4种酶家族:泛素活化酶(ubiquitin-activatingenzyme,E1)、泛素偶连酶(ubiquitin-conjugatingenzymes,E2s)也称泛素载体蛋白(ubiquitin-carrierprotein)、泛素-蛋白连接酶(ubiquitin-ligatingenzymes,E3s)和蛋白酶体(proteasome)。蛋白的泛素化和去泛素化都需要多种酶介导,upp既有高度底物多样性又具有针对不同调控机制的多样性。,泛素-Ubiquitin（Ub）的结构与组成,泛素含有76个氨基酸残基,广泛存在于真核生物,目前尚未发现泛素存在于原核生物中，泛素的氨基酸序列极其保守。泛素基因主要编码两种泛素前体蛋白质:一种是多聚泛素,另一种是泛素融合蛋白。,泛素分子调节蛋白质降解的机理,待降解的目标蛋白,泛素化蛋白,蛋白酶体-泛素化蛋白复合物,肽链,泛素分子,蛋白酶体,泛素分子与目标蛋白结合，此过程需要能量。,蛋白酶体与泛素化蛋白结合，开始分解目标蛋白。,目标蛋白被分解,蛋白酶体和泛素分子可循环利用,1.组成：泛素分子是由76个a.a组成的小蛋白，分子量为8600，等电点PI为6.7。2.结构：Ub分子大约87%的肽链通过氢键形成二级结构，二级结构包括3个-螺旋，5个-折叠（-sheet），7个-转角（-turn）。,（一）泛素（Ubiquitin简称Ub）,整个分子呈紧凑的球形，N-末端为较紧密的球状结构域，C-末端是松散的伸展结构，具有高度的保守性。C-末端的4个残基从球形结构中伸出供Ub与靶蛋白形成UB-蛋白复合物。Ub-C末端的两个Gly(75Gly和76Gly)不可替代，否则Ub分子将完全失活。,3.Ub分子的稳定性：由于Ub分子包含一个显著的疏水核，并富含大量氢键，因而Ub分子特别稳定，对酸、碱、热富于抵抗力，一旦折叠，能很快恢复天然状态。4.Ub分子的功能位点：a.C-末端的76Glyb.48Lys,5.Ub分子的分布:Ub分子广泛分布于各种真核生物中，从不同种类高等生物中得到的泛素的一级结构几乎相同。对植物、酵母、动物中Ub分子的一级结构进行分析，仅有1、2、3个a.a残基不同，而其三维构象也基本相同。,(二)、泛素蛋白酶体途径(upp)中其它相关酶,泛素活化酶(E1)是催化泛素与底物结合所需的第一个酶。细胞内仅有单一的泛素活化酶基因。利用不同的转录起始点,它可产生E1a和E1b两种泛素活化酶,它们的生物功能可能有所不同。泛素偶连酶(E2)是泛素与蛋白底物结合所需的第二个酶。细胞内有多种泛素偶连酶基因,大多数泛素偶连酶有一个1416KD的核心,含有活性所必需的半胱氨酸残基。在不同的泛素偶连酶间有约35%的同源性,这一区域可能参与泛素偶连酶和蛋白底物的结合。泛素-蛋白连接酶是泛素与底物蛋白结合所需的第三个酶。泛素-蛋白连接酶在决定泛素介导的底物降解方面有特殊的作用。不同类型的泛素-蛋白连接酶间缺乏序列同源性,而且分子量差异较大,蛋白酶体是催化泛素与底物蛋白偶联体降解的关键酶,包括20s蛋白酶体和26s蛋白酶体。26s是由20s和19s复合体共同结合装配而成,此组装过程需要耗能。20s蛋白酶体是主要起催化作用的复合体,它由14个不同的蛋白组装成一个筒状结构,由内层2个环和外层2个环组成,每个环含有7个亚基,基本结构可书写成7777。亚基主要用于底物识别,亚基主要参与底物降解。19s复合体由17或18个亚基组成,在特定条件下又可分成2个次级复合物,一个叫盖子(lid),一个叫底座(base)。底座由10个亚基组成,其中6个有ATP酶活性,它们与底物泛素化有关,盖子由8个没有ATP酶活性的亚基组成,其中一个亚基Rpn11/Pda/s13在泛素循环方面起重要作用。,26S蛋白酶体的结构,一个细胞大约含30000个细胞废弃物处理装置即蛋白酶复合体蛋白酶体，这些桶状结构可以几乎将所有蛋白质分解为7-9个氨基酸长度的缩氨酸，蛋白酶体的活性表面在桶状结构的内部。蛋白酶体能辨别出与泛素结合的蛋白质，一旦作为标签的泛素脱离蛋白质，即可利用三磷酸腺苷提供的能量改变蛋白质的性质使其从一端进入蛋白酶复合体内发生降解，并最终以缩氨酸的形式从另一端释放出来。这一过程如此复杂，需要消耗能量。然而蛋白酶体并不能选择待降解的蛋白质，细胞内主要是通过E3类酶的特异性选择并利用泛素加以标签，从而选择正确的待降解蛋白质。,蛋白酶体：,黑点表示活性区域，蛋白质降解的场所,由泛素介导的蛋白水解过程,分为2个阶段。第一阶段:多个泛素分子与靶蛋白共价结合。首先,泛素经泛素活化酶E1活化,泛素上76位的Gly与泛素活化酶上特殊的Cys残基形成一个高能硫酯键,并伴有ATP水解;然后,通过转酯作用,泛素从泛素活化酶转移到泛素结合酶E2的Cys上,形成泛素结合酶-泛素;最后,在泛素连接酶E3参与下,泛素又从泛素结合酶转移到受体蛋白(靶蛋白)的Lys残基上,形成泛素-靶蛋白,使靶蛋白发生泛素化。多个遍泛素分子重复地附加到靶蛋白上,则形成分枝的多Ub链。泛素共有7个Lys残基,在多聚泛素链结构中,其中一个泛素的C-末端Gly与相邻的泛素之间通过Lys48、Lys63或Lys29连接。,四、泛素蛋白酶体途径过程,（一）、略解,第二阶段:靶蛋白在26s蛋白酶体的作用下,由泛素介导的蛋白水解过程。经泛素活化的底物蛋白被展平后,通过两个狭孔,进入26s蛋白酶体的催化中心,蛋白降解在20s蛋白酶体内部发生。进入26s蛋白酶体的底物蛋白质被多次切割,最后形成322个氨基酸残基的小肽。整个流程分为以下六个步骤：1、E1类酶激活泛素，该过程需要ATP（三磷酸腺苷）提供一定能量；2、泛素转移至E2类酶；3、E3类酶具有特异性，可以识别出需破坏的目标蛋白质，与目标蛋白质接近的E2-泛素复合体将泛素转移至目标蛋白质；4、E3类酶释放出被泛素标记的蛋白质；5、被标记的蛋白质分子尾端形成一小段泛素分子链；6、泛素分子链在蛋白酶体的端口被识别并脱离蛋白质，目标蛋白质进入蛋白酶复合体的桶状通道最终降解为缩氨酸并由另一端口释放出去。,（一）、略解,在此过程中，需要泛素分子、三种细胞中天然存在的泛素酶Ub活化酶（E1）、Ub结合酶（E2）和Ub蛋白质连接酶（E3）以及蛋白酶体的参与。,（一）、略解,泛素通过E1和E2被激活的过程称为泛素的活化。泛素的活化过程是一个依赖ATP的酶促反应：首先泛素活化酶(ubiquitinactivatingenzymeE1)催化泛素C末端的甘氨酸(Gly)形成Ub腺苷酸中间产物,然后激活的泛素C末端被转移至E1酶内Cys残基的SH键上,形成高能硫酯键;含有高能硫酯键的泛素通过转酰基作用使其进一步转移到泛素载体蛋白(ubiquitinconjugatingenzyme,E2)特异的Cys残基上,形成E2Ub巯基酯;E2Ub巯基酯提供泛素分子,使泛素C端甘氨酸与底物蛋白的Lys残基的氨基形成共价键,由第一个泛素单体与底物蛋白内部的Lys残基的氨基(或氨基)结合;,四、泛素蛋白酶体途径过程,（二）、详解,泛素可以直接从E2转移给底物蛋白形成Ub蛋白复合物,这时的底物多是些碱性蛋白(如组蛋白),而在大多数情况下,底物蛋白先与泛素连接酶(ubiquitinligatingenzyme,E3)特异性结合,E3可使E2和底物蛋白相互接近,继而蛋白底物与E2酶连接的泛素结合,这样就完成了底物蛋白质的泛素化。1和3：E1、E2催化的泛素激活反应，消耗ATP；2：E3催化的蛋白质激活反应，消耗ATP；4：依赖于E3的蛋白质泛素化反应；5：不依赖于E3的蛋白质泛素化反应；6：26S蛋白体催化蛋白质水解；7和8：异肽酶催化的水解反应，使泛素游离出来。,去泛素化作用是泛素化过程的逆转。在真核细胞内已发现多种去泛素化酶,它们能够水解泛素和底物蛋白之间的硫酯键,还能把错误识别的底物从泛素化复合体中释放出来。它们又可以分为两类:（1）泛素羧端水解酶(ubiquitinC-terminalhydrolases(UCHs)：分子量为2030KD,水解去除和泛素C末端连接的小肽,也参与泛素多聚体产生泛素单体的过程,促进泛素再循环,对泛素系统的正常运行是很有必要的。（2）泛素特异性加工酶(ubiquitin-spicificprote2ases-UBPs/USPs)：分子量大约为100KD,参与去除和解聚底物蛋白质上的多聚泛素键,从而防止多聚泛素在底物蛋白的聚集。,（一）、生化功能,1介导细胞内某些多余的、暂时不需要的或异常蛋白质的降解，以调控细胞代谢消除它们对细胞的危害。2参与某些重要蛋白质翻译后的修饰和改造，调节其功能。3参与离子通道、分泌的调控及神经网络、细胞器的形成,五、UPP途径生物学意义,1、抗原提呈：抗原分子泛素化后被26s蛋白酶体降解成多肽,然后由组织相容性复合体(MHC)I类分子提呈到细胞表面,再被细胞毒性T细胞(CTL)识别。2、调节细胞周期：UPP调节降解调节蛋白,如细胞周期因子、信号传导蛋白等,在控制细胞周期尤其是生殖细胞方面起重要作用。细胞周期因子先被泛素化,然后由26s蛋白酶体降解,导致周期因子依赖的激酶失活,从而使细胞有丝分裂期中止。细胞周期因子-周期因子依赖的激酶复合体可由它们特定的抑制因子使其失活,这些抑制因子也由泛素-蛋白酶体途径降解。,（二）、一些生理学功能,（三）、UPP与疾病,UPP与许多人类疾病有关。与泛素相关的疾病可分为2种:一种是泛素体系酶的突变导致的功能丧失或者是目标底物蛋白识