细胞生物学第二次作业

1、细胞生物学第二次作业题目：泛素化系统的来源及其功能姓名：陈涛学号：1200012156院系：生命科学学院手机：2014年11月泛素和泛素样蛋白泛素存在于除细菌外的许多不同组织和器官中，是一种含76个氨基酸的多肽，参与对蛋白质的标记并在蛋白酶体中降解被标记蛋白的过程。泛素系统在细胞的正常的生理调控中具有重要的生理学意义。它可以清除错误或者多余的蛋白质，对NF-B信号通路介导的固有免疫系统进行调解，并且后续的研究发现泛素还对细胞周期有着重要调控，这种调控对于癌细胞的治疗研究具有重要意义，因而泛素系统在近年来受世界各地科学家所研究，并且在2004年，以色列科学家Aaron Ciechanover、A

2、vram Hershko和美国科学家Irwin Rose就真核生物的蛋白质拥有很多的翻译后修饰的方式，甲基化、乙酰化等修饰过程极大地扩展了蛋白的功能多样性和动力学多样性。有一种修饰方式就是目的蛋白与泛素蛋白或泛素样蛋白（UBL）的结合，从而进行复杂的生理调控，泛素化系统的修饰方式是众多修饰方式中首先被发现和研究的。泛素对于细胞内广泛程度的蛋白分子都有调控作用，因而参与UBL修饰途径的酶因为被结合蛋白的特异性而千差万别，但泛素蛋白与UBL蛋白具有相同的三维核心结构-grasp fold结构，这说明各种不同的UBL修饰系统都源自一个共同的祖先。并且，有越来越多的证据表明，UBL修饰途径来自原核生物

3、的硫转移酶系统。UBL修饰系统不是起源于真核生物。泛素蛋白的结合机制图1、泛素蛋白的结合机制（译自Mark Hochstrasser. ,2009）图1所示为泛素与目标蛋白结合的具体机制，图中绿色的Ub圆圈代表由76个氨基酸残基组成的泛素，通过一系列的酶促反应活化，泛素按照图中箭头顺序与底物靶蛋白相连接。UBL修饰系统的途径也与之极为相似。参与了泛素与靶蛋白结合过程的最重要的酶有三种：E1、E2和E3。E1被称为泛素活化酶，通过水解ATP，将一个泛素分子腺苷酸化来活化泛素蛋白。E2被称为泛素交联酶，通过转硫醇作用将泛素从E1酶处转移到E2的半胱氨酸残基上。E3被称为泛素连接酶，在结构上高度保守

4、，根据底物蛋白的不同有不同的泛素连接酶参与过程。E3识别特定的靶蛋白，并且将E2上的泛素分子转移到靶蛋白上（在某些情况下会先形成一种硫酯中间产物，然后再与底物结合）。当一个底物蛋白质上被以泛素链的形式标记上了4个以上的Ub时，该蛋白便可被蛋白酶体识别，从而进行后续的降解调控步骤。真核生物编码的E2和E3同工酶种类非常多，E2的同工酶有几十种，而E3同工酶则多达数百种。这符合了根据靶蛋白的特异性而有不同的E3同工酶参与反应历程，通过这种方式细胞就能在广泛水平上对多种蛋白进行修饰和调节。在泛素蛋白与其它蛋白相连之前，泛素的残基必须被活化，其C末端被E1酶腺苷酰化，随后E1酶的半胱氨酸侧链攻击泛素蛋

5、白的C末端，形成E1-泛素蛋白硫酯中间产物。之后被活化的泛素蛋白才能被转移到E2酶活性位点中的半胱氨酸残基，最终在E3酶的共同作用下，催化靶蛋白的泛素化。在泛素样蛋白的修饰途径中，有不依赖E3参与的方式。泛素蛋白通过C端的酰胺键与靶蛋白连接，最常见的连接方式是与靶蛋白赖氨酸的氨基相连，也可以与靶蛋白的N端乃至半胱氨酸，丝氨酸和苏氨酸相连。泛素链的形成是一个泛素分子的赖氨酸侧链与另一个泛素蛋白的C端相连。一个泛素蛋白含有7个可以参与形成泛素链的赖氨酸残基，其C端含有甘氨酸残基。细胞内的修饰过程和泛素化相对的还有去泛素化，去泛素化酶（DUB）可以将靶蛋白上的泛素蛋白水解下来，并且由于DUB酶的存在

6、，泛素化作用存在的时间是非常短暂的。泛素和泛素样蛋白连接后的结果图2、泛素标记蛋白的降解过程（译自Mark Hochstrasser. ,2009）经过泛素化途径修饰的蛋白通常都会被蛋白酶体降解。泛素-蛋白酶体途径负责降解细胞内数以千计的各种蛋白质，这些被降解的蛋白直都是一些调节蛋白质，比如转录因子或者细胞周期蛋白等，还有一些折叠发生错误的蛋白和其他的一场蛋白，防止它们堆积引起的不良后果。泛素蛋白受体既位于26S蛋白酶体的调控单元（图2粉红色结构），也位于可以和多泛素修饰蛋白和负责将水解亚单位连接到蛋白酶体复合物上的蛋白酶体亚单位发生可逆性结合的街头蛋白中。如图2右侧部分所示，调控单元内的AT

7、P水解酶打开底物蛋白的折叠结构，将其输送到20S蛋白酶体核心结构（途中蓝色和红色环结构）。在核心结构的内侧存在蛋白水解位点，在此处底物蛋白被水解成小分子肽段，泛素蛋白被DUB酶回收以重复利用。泛素系统的重要领域NF-B信号通路的调节和肿瘤治疗泛素化修饰过程也是一种可逆的共价修饰过程，能够调节被修饰蛋白的稳定性、功能活性以及细胞内定位等情况。因此，泛素化修饰作用在人体免疫系统中发挥了重要作用。最近的研究结果显示，几种泛素连接酶参与了防止免疫系统攻击自体组织的过程。这些泛素连接酶的功能失调都与自身免疫性疾病有关。NF-B信号通路参与了包括炎症反应、免疫反应等等生理过程。NF-B信号通路有着重要的作

8、用，它的活性受到非常精细的调控。IB家族蛋白抑制了该信号通路的活性。在包括来自微生物等的外界刺激因子的作用之下，IB家族蛋白会通过泛素蛋白酶体途径被降解，令NF-B进入核内，激活一系列基因的转录，引导下游的固有免疫过程。细胞内很多受泛素途径修饰的蛋白质都参与控制细胞内肿瘤发生相关生理（病理）进程，比如细胞周期调控、凋亡、受体下调以及基因转录等多种重要的细胞进程。因而对泛素系统的研究对于肿瘤的治疗与预防其发生具有非常重要的意义。例如为大家所知的与癌症相关的一种环状E3连接酶是Hdm2。Hdm2蛋白是非常关键的肿瘤抑制蛋白p53蛋白的负调节蛋白。Hdm2蛋白是治疗癌症的首选药物靶标。在肿瘤患者体内，如果使Hdm2蛋白失活，就能够激活p53通路，导致细胞周期停滞，细胞凋亡。参考文献Hoeller D1, Dikic I. Targeting the ubiquitin system in cancer therapy. Nature. 2009 Mar 26;458(7237):438-44Hochstrasser M. Origin and function of ubiquitin-like proteins. Na