一个选择性的泛素的自噬作用A Role for Ubiquitin in Selective Autophagy

1、一个选择性的泛素的自噬作用简介泛素（UB）是一个高度保守的小蛋白，广泛存在于从酵母到人等生物。它最初是被描述于 参与蛋白质的降解过程，但后来被证明参与其他细胞的调控进程，如内吞作用，信号转导 和 DNA 修 复 （ Kirkin 和 Dikic ，2007; Welchman 等 人 ，2005 年 ）Table 1 Properties of Yeast and Human Autophagy-Specific UBLs in Comparison to UbUBLPrecursorProcessing EnzymesActivatingEnzymeConjugatingEnrymols)U

2、gatingEnzymesConjugationSubstrateDeoonjugationEnzym&sKnown FinctionsandElE2E3variousacts as a signal for proteasomai and lysosomal degradation： provides a scaffold for signal transduction andhunanUbDUBsenzymeanzytnesproteinsDUBsDNA repair machineriesYeastATG8ATG4ATG7ATG3ATGSATG12PEATG4mediates expan

3、sion of the phagophore via membrane tethering and herrtlfusion；acts as a ligand for autophagic receptors: ATG19 (Cvt pathwayh yeast) and p62and NBR1 (in selective autophagy in higher organ Is rru)HumanMAPI LC3A LC3 MAP1LC3B(LC3B：|MAPI Lcac (LCaC) GABARAPGABARAPL 1GABARAPL-2/GATE-16GABARAPL-3ATG4AATG

4、4BATG4CATG4DATG7ATG3ATG5-ATG12PEAFG4AATG4BATG4CATG4DYeastATG12ATG7ATG10ATG5as a conjugate with ATG5, has an E3-like activtty toward ATGB family proteinsHumanATG12ATG7ATGW-ATG5YeastATG5ln complex 心th ATG16, acts as a scaffold for autophagosome formation;as a conjugate with ATG12, has an E3-like actMt

5、y toward ATG8 family proteinsHumanATG5-DUB, deubiquitirating enzymes; ATG, autophagy -related protein; PE, phosptatidyiethandamine; MAP1LC3, microtubule-associated proteins W1B light chain 3： GABARAP, Gamma-amino-butyric acid receptor -associated protein； GABARAPL, Gamma-aminobutyric add receptor as

6、sociated protein-like; GATE-16, Golgi-associated ATPase Enhancer of 16 kDa.（见表1）。泛素共轭是一个复杂的反应，需要的E1, E2，和E3酶，导致异肽键之间的C -末端的泛素甘氨酸和3-氨基形成一种蛋白赖氨酸残基片。 .由于内部赖氨酸残基的存在，泛 素可以被反复附加到本身，形成连锁与各种拓扑结构和功能（池田和Dikic, 2008）。一个 带着泛素链的改性蛋白质，在这种蛋白质中，泛素通过 Lys48 相连，目标底物的蛋白酶体 途径, 而一个单一的泛基（单泛素化）附件和/或寡聚赖氨酸63联泛链,即在，内吞作用的过 程，标

7、志着基质蛋白降解（Welchman等。，2005）。最近的实验数据提供了证据证明参与 的泛素在另一个基本溶酶体依赖性的降解系统，自体吞噬。这种代谢途径, 能够针对个别蛋 白质, 较大的大分子复合物，并完成细胞器,这对细胞稳态和生存来说是极其重要的，而其 管制已经与病理条件相关，如神经功能障碍和癌症。（Ohsumi, 2001年，谢和Klionsky, 2007; Levine 和克勒默， 2008）。我们所通用的术语“自噬”一般包括几个过程，其中通过细胞内的溶酶体获得物体。而 我们通常在文献中所见到的自噬有三种类型：（1）大自噬，它的特点是会有一个月牙状结 构的形成并且扩大，形成一个双模自噬体

8、，并且能与溶酶体融合。（2）小自噬，在这个反 应中，溶酶体反折和直接地隔离胞液组分，及（3）分子伴侣介导自噬（CMA）的，涉 及整个易位展开溶酶体膜蛋白（水岛等。，2008）。这次论文的重点是大自噬过程，我们 将把它作为简单的自噬作用通过这篇文章介绍， 虽然自噬细胞内部可以封存非特异性物质，例如，有大量的证据表明，作为对饥饿的反应， 自噬细胞有选择性降解各种细胞结构，包括蛋白质聚集，线粒体和微生物（谢和克林斯基， 2007）。虽然我们对自噬细胞有选择性的自噬机制还不是很清楚，但是，在这个过程中泛素的参与是显而易见的：类似的蛋白酶，其中泛素是由泛素受体交付。（埃尔萨塞尔和芬利, 2005年;。H

9、usnjak等, 2008）自噬的蛋白质总量，需要清除泛结合受体P62和NBR1 （Kirkin 等, 2009;。小松等，2007;。Pankiv等,2007。）据设想，同时结合了两种泛素及相关类别（拉丹）蛋白的自噬体（即LC3/GABARAP蛋白质），这些分子能够介导泛素化蛋白与自噬 体聚集对接，从而确保其选择性降解。我们总结了泛素吞噬作用，现有证据和推断可以证明 泛素基细胞附着的各种物体，构成一个通用的的降解细胞内信号蛋白两大系统。基质蛋白的自噬降解中的泛素蛋白质的错误折叠和聚合蛋白质错误折叠，导致了通常只限于在蛋白质折叠过程出现的的疏水残基的暴露，但伴随着 正常蛋白质合成，可显著提高许

10、多刺激，包括氧化应激，饥饿，变异和热休克（戈德堡，2003 ）错误折叠的多肽是被认为是热休克蛋白家族（HSP）的分子伴侣，它结合并屏蔽暴露于细 胞质表面的疏水残基，同时促进蛋白质折叠（戈德堡，2003）。此外，热休克蛋白与泛素 E3连接酶相互作用，如芯片和帕金（今井等。2002年），同时促进基质的聚泛素化并且， 因此，最初的末端的错误折叠的蛋白质被蛋白酶降解。当蛋白质错误折叠并且没有被辅助的分子伴侣尽快纠正或者没有被蛋白酶及时降解，就会 发生蛋白质的聚集。错误折叠的蛋白质的聚合是由部分展开多肽链的非特异性疏水 介导相互作用介导产生的，并且可以形成形成微观可见的结构，例如包涵体和聚 合体。（Ko

11、pito, 2000 年）（图 2） 为简单起见，包涵体可以被视为错误折叠的蛋白质寡聚体的多种细胞内灶而被分离。而 多聚体则是通过对微管蛋白的聚合而形成了逆行运输结构,通常是在微管组织中心发现。（微 观组织中心）（Kopito, 2000年）（图2）包涵体的生物作用尚不完全清楚。它们可能是通 过螯合有害的错误折叠的蛋白质而保护物种，为细胞的蛋白质降解提供了一个缓冲的机会。（Bjorkoy等人，2005年;。Kopito, 2000年）或者它们可能会灭活蛋白酶和调解毒性。（本 斯等人。，2001）包涵体的双重作用，突出了替代退化途径的至关重要，并且它们也要服 从大的基板的降解作用。因此，对蛋白酶

12、诱导自体吞噬强有力的抑制，将作为一种对多泛素 化得错误折叠蛋白质的退化补偿机制。44flYIIINSR1LIR44flYIIINSR1LIRA Pirotelns l?ial Sterad with botli ublquln and LC3JGABARAP proteinsWE ELf rURWVEL% /219NtK”219LIRB Proiflsns tliat interact with LC3K3ABARAP proteins but not with ubiquitin 图1涉及选择性自噬的蛋白质和它们的域组织HDACGHDACG（A）P62和NBR1是自噬体中与从共轭泛素到目标以

13、及LC3/GABARAP都相互作用的泛素受体，从而促进泛素化目标的自噬.（B）ATG19是一种与聚合preApel和ATG8相互作用的蛋白质受体，从而促进 酵母中preApel从细胞质到液泡的途径。NIX是一种可以和LC3/GABARAP相 互作用并且有可能参与线粒体自噬过程。（C）HDAC6 是一个泛素结合蛋白，在聚集小体的形成起重要作用，并且也可 以影响泛素化错误折叠蛋白质的选择性自噬。但是它在自噬中的确切作用还不是 很清楚。（D）ALFY是一个同时参与蛋白质泛素化和自噬小体的标记过程的大的蛋白质。 它通过FYVE域与Ptdlns（3）相交互作用。见BAG3说明文字。数字表示拥有异常ATG

14、19 的蛋白质中氨基酸的长度，它同时也是一个酵母蛋白。自噬小体：自噬小体可以殃及巨大的基板，包括含膜细胞器。通过对自噬性缺陷的酵母突变体 的遗传分析，已经确定30多个自噬相关（抗胸腺细胞球蛋白）的蛋白质，它们生成和管理 成熟的自噬小体以及其降解的液泡。（铃木和Ohsumi, 2007年）ATG最重要的功能组别 由图可知为哺乳动物基因的广泛性，包括（1）ATG1激酶复合物（ATG1, ATG13和ATG17）（2）PI3K的复合物（Vps34和Atg6）和（3）两个UBL修饰系统（ATG12 - ATG5和ATG8 表 1）（铃木和 Ohsumi, 2007 年）特异性自噬对泛素样蛋白特别感兴趣

15、，因为其与泛素的相似性，（Kirkin和Dikic，2007年）（见表1）。因此，虽然ATG12和ATG8家族蛋白（如在哺乳动物细胞的LC3蛋白和GABARAP 蛋白）和泛素没有任何主要的同族序列是相同的，但它们的结构却类似于泛素。（拉巴斯等， 2000;。菅原等，2004;。铃木等，2005）。他们还分别通过C -末端甘氨酸残基结合自 己的基板，例如G5和磷脂（PE）。（Ohsumi，2001）。自噬体的成熟需要有ATG12和ATG8 共轭系统。不过，在这个过程中完成中，即ATG12- ATG5从自噬小体膜分离的复杂 的反应中，然而胞内ATG8仍然通过自噬体和溶酶体的融和而附着于细胞膜上。（

16、Ohsumi,2001）。后者的性质允许将ATG8和LC3作为自噬体标记物使用（Klionsky 等。，2008）。在共轭的形式中，ATG8可以调节脂质膜的圈合和半融合。（Nakatogawa 等。，2007）。因此，ATG8通过牵引、交付脂质膜元件和促进它们并入扩大的吞噬泡而为 自噬体得扩张提供驱动力。在生物泛素小体比较有意思的方面，密切参与了自噬体形成点中 的泛素样蛋白系统。折叠的泛素是一个普遍的蛋白质结构元素，参与细胞的信号传递，泛素 样蛋白的一类中，存在即可以作为一个小蛋白的修饰物，也可以作为一个大蛋白（域）的一 个整体的一部分，（泛素样蛋白）增长迅速（Jentsch和Pyrowola

17、kis，2000; Kirkin和Dikic， 2007年）。人泛素蛋白D被普遍认为包含泛素共轭基，同样，我们断定，特定自噬的泛素 样蛋白系统，通过非共价键而相互作用，可能是接受部分复合物的信号并且传递给部分新生 成的自噬物，或者向其提供一种选择自噬物得功能。来自于对ATG8/LC3/GABARAP系列蛋 白的鉴定以及促进对错误折叠的泛素化蛋白（p62andNBR1）的选择性降解，支持了这一假 说。（Bjorkoy 等，2005;。Kirkin 等，2009;。小松等，2007;。Pankiv 等，2007。）（图 2）。HD AC 6AutophagosorneAggresameAutoly

18、sogomMTOCNucleusp62/NBR1 /PhgophoreQf TGABAJW3HD AC 6AutophagosorneAggresameAutolysogomMTOCNucleusp62/NBR1 /PhgophoreQf TGABAJW3Incluipn bodyUbiquitinated misfolded proteinPG2FNBR1、一勺图2.关于p62,NBR1,和HDAC6蛋白在选择性自噬错误折叠的泛素样蛋白中所起的功能的 模型图。齐聚的错误折叠的蛋白质是经过泛素化的，并且由p62和NBR1蛋白低聚区的泛素结合区 所验证。被描述成车轮的辐条（虽然多聚泛素链是被描述

19、的对象，单泛素化蛋白已足够进行 目标识别）（1），通过自噬作用而将目标物选择性降解（2），低聚的p62和NBR1蛋白 同样可以调节包涵体的形成。（3），HDAC6和泛素样蛋白结合保证了它们可以沿微管而向 微管组织中心运输。（4）,其中多余的错误折叠的蛋白质可以有组织的形成一个自噬体（5） 包涵体（3）聚合体（6）可允许自噬降解存储的错误折叠的蛋白质，封闭箱，泛结合域， 空圈，泛素，填补圈，共轭LC3的/GABARAP蛋白质。泛素结合蛋白的选择性自噬P62/SQSTM1-自噬受体原型。p62/SQSTM1是多功能的衔接蛋白，并且和细胞的信号传递 和分化有关系。（Moscat等。，2007）。它最

20、初是被认为是个非典型蛋白激酶C的互相影 响的配对。（普尔斯等，1997;。桑切斯等人。1998年）这种相互作用通过在p62 中发现的N-末端而被证明是介导的。例如phox和Bem1p（PB1），它也介导的p62的齐聚。P62还拥有一个锌指结构和泛素结合乌巴域。（图1） p62的乌巴域可以 和K48和K63的泛素链结合，但是和k63的有更强的亲和力。（龙等，2008;。 潭等，2007;。伍滕等人，2008年）要将p62与泛素的结合能力作为研究的重 点。因此，p62中乌巴域的基因突变和变形性骨炎的病因有关联，而其特点是异 常的骨诱裂活动。（凯维等。2005年）人们普遍认为p62泛素结合反应对 R

21、ANKL-NF-kB对于破骨细胞的信号反应是必不可少的。然而，对于泛素结合的p62 参与的疾病进程到目前为止还不是很清楚。情况进一步复杂，p62被证明影响泛 素/乌巴结合独立方式中NF-kB的活化反应。（Moscat等。，2007）。一些证据又指向了 p62的另一个重要的生物学角色。阳性的泛素包涵体中已经发 现了对于 p62 的阳性。（长冈等人， 2004;。 Zatloukal 等， 2002）。这促使约翰 森小组推测中的关于p62参与蛋白质聚集区的自噬间隙中p62可能代表了蛋白质 聚集之间的缺失环节。他们都不能显示该p62本身的自体吞噬退化，实验引起了 泛阳性蛋白聚集壳状结构以及蛋白质总量

22、变化，这也因为 LC3 的阳性导致。这过 程提出了要在PB1和乌巴依赖域的p62，因此，其本身的交换能力和UB浓度有 很大的影响（Bjorkoy等。，2005）。随后的实验表明与P62 （小松等物理作用。， 2007年Pankiv等人，2007年）和LC3相互作用的位置的存在。（LIR）人类p62 定义为短肽22 个氨基酸，其线性特点是酸的酸性集群（天冬氨酸-335，天门冬 氨酸- 336，和 Asp- 337）和一个保守的芳香族残基连接在一起（色氨酸- 340） （ Pankiv 等。， 2007）。在复杂结构所形成的LC3的研究和对p62的LIR研究表明,WTHL四肽的p62-LIR 采用

23、一架B -构象和分子间形成一个平行b表的B2与-LC3 （市村等人链，2008;。 野田等。，2008）。重要的是，与保守的色氨酸侧链主要结合的WTH在疏水环境 中形成N-端结构域（A2）的接口和拉丹域LC3相同。与此相反，保守的亮氨酸 是从事相互作用对细胞边界层（市村等， 2008;。野田等人， 2008 年。）。类似 的形式被证明是负责任的互动关系ATG19（图1）, ATG8在酵母中的变化途径（图 3）（野田等人。，2008年）表明WxxL可能会是其他ATG8 LIR的共识序列/LC3 的相互作用的蛋白。这种结合模式让人想起细胞之间的相互作用序和相互作用。如图 3 所示，酵母菌的特定细胞

24、液到液泡的途径包括选择性自噬过程和非选择性 自噬过程。如P62和NBR1。（一）本结构形成在自噬介导的细胞内交货液泡前体的物质水解，如 preApe1， 代表了选择性的形式在酵母细胞自噬过程。 ATG19 交换的同时汇总 preApe1 和 ATG8 。（二）相反，形成较大的自噬过程在饥饿的酵母菌响应，非选择性过程由 Tor 激酶信号调节。（三）如CVT的途径，泛素化总量是公认的特定受体（如P62和NBR1），并有 针对性地通过自噬过程与 LC3/GABARAP 蛋白质结合到脂质膜自噬体（实心 圆）。 Tor 的作用是选择性自噬的信号并没有得到澄清。破碎的箭头指 示的事实，这进程还没有正式被证

25、明在酵母细胞中，因此，它仍然是假设 的。对 p62 LIR 的缺陷形式产生 Ubpositive 和 LC3 阴性聚集在在缺乏内源性细胞的细胞质中。 这些蛋白质的聚集还取决于 PB1 的功能，其中强调了相关的 p62 齐聚电位（市村等，2008;。 Pankiv 等，2007。）p62是一种在体内与LC3的互动物质（小松等，2007。Pankiv等。，2007年）并不断地被吞噬退化（Bjorkoy等。2005年），建立一个有用的标记物自噬p62 泡（ Klionsky 等。， 2008）。为支持这项工作概念，将小鼠组织特异性吞噬缺 乏症（Atg7基因敲除小鼠）表现出泛素积累的p62阳性在神经细

26、胞和肝细胞（小 松等蛋白包涵体。， 2007 年）中。奇怪的是，自噬的抑制相关毒性在肝脏细胞 中观察到大脑中的不同之处，关于p62的依赖性:缓解去除而p62肝损伤在Atg7/ / p62/鼠，这些老鼠仍然患有神经细胞死亡症（小松等。，2007）。由于在这两 个去除细胞类型的 p62 急剧减少，导致微观可见蛋白质总量，有可能是细胞 typespecific 功能，有助于 p62 相关毒性自体吞噬缺陷组织。类似吞噬缺陷小鼠， 果蝇不足，发展包裹体吞噬神经元，当果蝇的p62消失同是删除它（Nezis等。， 2008年），这突出了进化保守的作用， p62 的蛋白质包裹体形成。对p62的总促物质研究可以

27、解释为什么自噬过程的发生是通过对p62基因敲除 小鼠没有表现出强劲泛素阳性蛋白包裹体积累加，这可能是从p62的介入导至 自噬作用提出降解的泛素化蛋白质导致的（小松等。， 2007）。由于NBR1-新自噬受体的影响。NBR1 （邻BRCA1基因1）最初是作为一个候 选克隆基因的卵巢癌抗原CA125 （坎贝尔等。，1994）。鉴于域组织中的惊人 的相似（图1）和直接互动与p62，后来被NBR1研究细胞信号和分化：在肌肉 细胞中NBR1是一种信号调解激酶的巨型titin基因的下游（兰格等人。，2005）。 最近，NBR1被证明参与自噬降解的泛素化目标过程（Kirkin等。，2009）。 NBR1 被

28、确定为一个直接与自噬体结合的合作伙伴，双放都具有 ATG8/LC3/GABARAP修饰符在体外和体内。基因突变分析和肽图谱研究表明在 C端的一个LIR存在的NBR1，其中包括经过修改的WxxL序（即YIII，732-735 人NBR1）（图1）。该LIR的存在确保了即使在p62的情况下，NBR1交互作 用在自噬过程，由吞噬退化。抑制吞噬或LIR的减少导致在体内积累过多NBR1（ Kirkin 等。， 2009）。NBR1通过其乌巴结合域与一对K63偏见泛素-与多聚泛素链结合（Kirkin等。， 2009）。重要的是，泛素阳性物进入溶酶体，同时依赖P62和NBR1。像p62, NBR1 起着交联作用，泛素错误折叠的蛋白质和嘌呤是必要的，他们诱导蛋白质 包涵体的形成和聚集，从而形成吞噬块。 NBR1 执行此功能通过自助作用的卷， 并通过与低聚 p62 和泛素