泛素调节蛋白质降

泛素调节蛋白质降解 2004年诺贝尔化学奖成果 主要内容 一 前言二 泛素 蛋白酶体途径的概述三 泛素 蛋白酶体途径的组成四 泛素介导的蛋白质降解过程五 研究成果的意义六 问题与展望 一 前言 2004年诺贝尔化学奖授予了以色列科学家阿龙 切哈诺沃 AaronCiechanover 阿夫拉姆 赫什科 AvramHershko 和美国加利福尼亚大学的教授欧文 罗斯 IrwinRose 以表彰他们发现了泛素调节的蛋白质降解 forthediscoveryofubiquitin mediatedproteindegradation 蛋白质泛素化研究简史 1975年 Goldstein误将泛素 Ubiquitin 当作胸腺激素而发现 1977年 Goldknopf和Busch认定组蛋白2A与泛素以异肽键 IsopeptideBond 结合 1977年 Goldberg证明人类细胞中存在一可溶的 直接依赖于能量的非溶酶体类蛋白酶 1978年 Ciechanover和Hershko发现了APF 1是Goldberg系统中蛋白酶系的必要成分 结果发表在BBRC 1980年 Ciechanover Hershko和Rose等人证明了APF 1与当时已被发现的泛素是同一物质 1984年 Finley和Varshavsky等发现泛素在细胞周期中的重要性 1987年 Goldberg和Rechsteiner两个小组几乎同时分离出分子量很大的依赖于ATP并降解泛素化底物的蛋白水解酶 1988年 Goldberg将这种蛋白水解酶命名为Proteasome 蛋白酶体 1997年 Yeh等小组发现类泛素蛋白SUMO和NEDD8的功能 2003年 美国FDA批准了用Velcade来治疗多发性骨髓瘤 Velcade是在Goldberg发明的蛋白酶体抑制剂MG132的基础上研发而成的 2004年 Ciechanover Hershko和Rose因发现泛素介导的蛋白质降解共同获得诺贝尔化学奖 2008年 Darwin等在细菌中发现类泛素化修饰 蛋白质降解 溶酶体系统细胞内含有50多种蛋白酶 溶酶体通过吞噬将蛋白质裹入 然后进行水解 溶酶体对蛋白质的水解是非选择性的 泛素 蛋白酶体系统 UPP 泛素系统可以选择性的水解蛋白质 该途径要求被降解的目标蛋白首先进行泛素化标记 然后降解 二 泛素调节的蛋白质降解概述 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 蛋白质的泛素化 接着这些泛素化的蛋白质进入细胞的蛋白酶复合体的活性位点 蛋白质被降解成7 9个氨基酸长度的短肽片段后 从蛋白酶体的另一段被释放 三 泛素 蛋白酶体途径 upp 的组成 泛素和4种酶家族 泛素活化酶 E1 泛素偶连酶 E2 也称泛素载体蛋白 泛素 蛋白连接酶 E3 和蛋白酶体 蛋白的泛素化和去泛素化都需要多种酶介导 标记工具 泛素 泛素由76个氨基酸残基成 其中包括7个赖氨酸残基 K 其C末端可与底物的赖氨酸残基形成异肽键 从而引起底物泛素化 蛋白酶体 细胞的废物处理机器 蛋白酶体被称为 垃圾处理厂 通常一个人体细胞内大约含有30000个蛋白酶体 1979年由Goldberg等人首先分离出来 蛋白酶体包括两种形式 20S复合物和26S复合物 而26S复合物又由20S复合物和19S复合物组成 主要负责依赖泛素的蛋白质降解途径 26S复合物是一种筒状结构 活性部位 20S复合物 在筒内 能将所有蛋白质降解成含7个 9个氨基酸的多肽 四 泛素介导的蛋白质降解过程 1 E1酶激活泛素分子 此过程需要消耗能量 2 泛素分子被转移到E2酶上 此上过程被称为泛素活化 3 E3酶识别待降解的目标蛋白质 靶蛋白 E2 泛素复合物结合到目标蛋白质附近 泛素标记物从E2酶转移到目标蛋白质上 蛋白质的泛素化 4 E3酶释放已被泛素标记的蛋白 蛋白质去泛素化 去泛素化作用是泛素化过程的逆转 在真核细胞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20 30KDa 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100KDa 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 五 研究成果的意义 UPP介导的细胞蛋白降解是一个复杂 缜密的调控过程 它在细胞周期 基因表达 抗原提呈和蛋白的跨膜定位等方面发挥重要调控作用 尤其是通过降解细胞各通路的抑制因子或激活因子发挥上调或下调作用 UPP的异常与许多疾病如恶性肿瘤 神经变性疾病 有关 调节细胞生长周期 细胞的的复制过程涉及很多化学反应 在人体细胞的复制过程中 集中于23对染色体中的60亿个碱基对会被复制 普通细胞的有丝分裂 性细胞的形成和减数分裂都与泛素有着密切的关系 泛素中一种由多个亚单位组成的E3酶 在细胞分裂过程中作为一个蛋白复合物APC anaphase promotingcomples 促细胞分裂后期复合物 使细胞脱离减数分裂期 在细胞有丝分裂和减数分裂中的染色体分离期 泛素也发挥重要作用 其作用机理如右图所示 一种蛋白质复合物像绳索样捆绑于染色体上 保持其紧缩结构 当受到特定信号作用时 APC标记这一蛋白质降解酶的抑制物 此抑制物随后被运输到蛋白酶体上并被降解 降解酶从抑制物上释放 恢复活性 切除捆绑在染色体对周围的 绳索 一旦绳索消失 染色体对就得以分离 如果减数分裂中染色体对的分离出现错误 染色体数目会被改变 就有可能导致孕期的自发性流产 若多出1条第21染色体 则会引发伸舌样白痴 此外 多数恶性肿瘤中也存在染色体数目异常的细胞 染色体数目的改变亦是由有丝分裂中染色体多次分离错误所造成的 DNA的修复癌症的产生和程序性细胞死亡 蛋白质p53是一个能够抑制肿瘤生长的基因 被誉为 基因卫士 只要细胞能够产生p53 癌症的发展就会得到遏制 至少50 的人类癌症中有变异的p53存在 在正常细胞中 蛋白质p53始终处于合成和降解的平衡状态 并维持在较低的数量水平 这种平衡状态的维持也是通过提高泛素调节实现的 正常情况下 一种特殊的E3酶 Mdm2 与蛋白质p53形成复合物 不断被降解 当DNA遭到损伤时 p53被磷酸化 不再与Mdm2结合 脱离Mdm2的p53不再被降解 细胞中p53的数量迅速增加 p53是一种转录因子 能够控制特定基因的表达 这些基因调控细胞生长周期 受损DNA的修复和程序性细胞死亡 若p53水平升高 细胞生长周期会被中断 为受损DNA的修复提供时间 如果DNA受损比较严重 细胞就会引发称为类似自杀行为的程序性死亡 人类乳突淋瘤病毒与宫颈癌的发生有很高的相关性 这种病毒能够活化细胞内一种特定的E3酶E6 AP 使其改变识别模式 错误地对p53进行泛素化 使p53降解 通过这种机制 人类乳突淋瘤病毒能够逃逸p53的控制 由于p53被降解 细胞丧失对受损DNA的正常修复功能以及引发程序性细胞死亡的功能 其结果是DNA突变数增加 最终导致癌症 六 问题与展望 泛素是一种复杂的化学分子 它通过具有显著构象差异的Ub链与底物的多个Lys残基结合 对底物进行多样化的修饰 使得Ub成为一种调控多种生命活动的信号分子 生命活动中的许多蛋白质都需要泛素化 而对底物的去泛素化在许多生命活动中也同样重要 了解泛素是如何参与及调控细胞生理生化反应的关键 在于认识泛