泛素—蛋白酶途徑降解蛋白質(zhì)與疾病

1、泛素泛素蛋白酶途徑蛋白酶途徑(UPP)降解蛋白質(zhì)與疾病降解蛋白質(zhì)與疾病主講人：主講人：哺乳動物細(xì)胞中蛋白質(zhì)的降解哺乳動物細(xì)胞中蛋白質(zhì)的降解異常蛋白異常蛋白短周期蛋白短周期蛋白內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相關(guān)蛋白蛋白長周期蛋白長周期蛋白膜蛋白膜蛋白細(xì)胞外蛋白細(xì)胞外蛋白泛素泛素- -蛋白酶體途徑蛋白酶體途徑溶酶體途徑溶酶體途徑氨基酸氨基酸小肽小肽80-90%80-90%10-20%10-20%目錄目錄UPP的構(gòu)成的構(gòu)成UPP的作用機(jī)制的作用機(jī)制UPP與疾病與疾病問題與展望問題與展望泛素調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)降解概述泛素調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)降解概述 蛋白質(zhì)的降解是一個精細(xì)控制的過程，首先蛋白質(zhì)的降解是一個精細(xì)控制的過程，首先有待

2、降解的蛋白質(zhì)被一種多肽（稱之為泛素）所有待降解的蛋白質(zhì)被一種多肽（稱之為泛素）所標(biāo)記，接著這些蛋白質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的蛋白酶復(fù)合體標(biāo)記，接著這些蛋白質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的蛋白酶復(fù)合體中，蛋白酶復(fù)合體是一個上下有蓋的圓桶狀酵素，中，蛋白酶復(fù)合體是一個上下有蓋的圓桶狀酵素，它們?nèi)缤?xì)胞的垃圾桶，專門負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)的分解它們?nèi)缤?xì)胞的垃圾桶，專門負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)的分解及再循環(huán)利用，泛素在這一過程中釋出訊號，讓及再循環(huán)利用，泛素在這一過程中釋出訊號，讓蛋白酶復(fù)合體分辨出有待降解的蛋白質(zhì)。蛋白酶復(fù)合體分辨出有待降解的蛋白質(zhì)。 泛素泛素-蛋白酶體途徑（蛋白酶體途徑（UPP）的構(gòu)成：）的構(gòu)成： 主要包括主要包括 泛素泛素( ubiqu

3、itin, Ub)、 泛素活化酶泛素活化酶( ubiquitin-activatingenzyme, E1)、 泛素連接酶泛素連接酶( ubiquitin-conjugatingenzyme, E2)、泛素蛋白連接酶泛素蛋白連接酶( ubiquitin-protein ligating enzyme,E3)、 26S蛋白酶體蛋白酶體 去泛素化酶去泛素化酶( deubiquitinating enzyme, DUBs)等。等。蛋白酶體結(jié)構(gòu)蛋白酶體結(jié)構(gòu)26S 蛋白酶體包括蛋白酶體包括2個個19S調(diào)控調(diào)控蛋白和一個蛋白和一個20S核心蛋白核心蛋白20S 蛋白酶體至少有三種不同的蛋白酶活性已知的已知的

4、20S 蛋白酶體蛋白酶蛋白酶體蛋白酶活性至少有三種，催化位點活性至少有三種，催化位點均位于均位于亞基上，分別是：亞基上，分別是：類糜蛋白酶活性（類糜蛋白酶活性（5），），類胰蛋白酶活性（類胰蛋白酶活性（2），），肽肽-谷氨酰肽水解酶活性（谷氨酰肽水解酶活性（1） 泛素泛素泛素由泛素由76個個aa組成，廣泛存在組成，廣泛存在于真核生物，不同來源的泛素蛋于真核生物，不同來源的泛素蛋白具有類似的結(jié)構(gòu)、功能和免疫白具有類似的結(jié)構(gòu)、功能和免疫學(xué)特征，其空間結(jié)構(gòu)如圖學(xué)特征，其空間結(jié)構(gòu)如圖1所示。所示。其功能位點為其功能位點為C-末端末端76Gly殘基殘基和和Lys殘基，殘基，76Gly殘基能與殘基能與E1

5、、E2、E3以共價鍵相互作用。泛以共價鍵相互作用。泛素是素是UPP的重要組成部分，激活的重要組成部分，激活后識別、后識別、 標(biāo)記靶蛋白。標(biāo)記靶蛋白。泛素活化泛素活化酶酶 泛素活化酶（泛素活化酶（E1）在細(xì)胞中）在細(xì)胞中含量豐富，為細(xì)胞生存和活性所含量豐富，為細(xì)胞生存和活性所需，在進(jìn)化中很保守需，在進(jìn)化中很保守; 可能是由可能是由兩個分子量為兩個分子量為105KD亞基組成的亞基組成的二聚體二聚體; 目前，在哺乳動物中發(fā)目前，在哺乳動物中發(fā)現(xiàn)一種有活性的泛素活化酶現(xiàn)一種有活性的泛素活化酶; 其其主要功能是主要功能是激活泛素激活泛素。泛素結(jié)合酶泛素結(jié)合酶 目前有目前有50 種泛素結(jié)合酶（種泛素結(jié)合酶

6、（E2）被發(fā)現(xiàn)，）被發(fā)現(xiàn)，其中酵母中其中酵母中13 種，哺乳動物中有種，哺乳動物中有20 多種，由多種，由此推測此推測E2 的多樣性與靶蛋白泛素化特異性有的多樣性與靶蛋白泛素化特異性有關(guān)關(guān); 多數(shù)多數(shù)E2為小分子量蛋白，其共性是有為小分子量蛋白，其共性是有1416KD 核心區(qū)域，核心區(qū)域內(nèi)含有維持其活性核心區(qū)域，核心區(qū)域內(nèi)含有維持其活性所需的半胱氨酸殘基；所需的半胱氨酸殘基；其主要功能是其主要功能是把泛素連把泛素連接到靶蛋白或接到靶蛋白或E3上。上。泛素連接酶泛素連接酶 泛素連接酶（泛素連接酶（E3）可識別靶蛋白中特異性）可識別靶蛋白中特異性模體，并催化泛素與模體，并催化泛素與E2脫離而與靶蛋

7、白結(jié)合，脫離而與靶蛋白結(jié)合，目前已發(fā)現(xiàn)數(shù)百種目前已發(fā)現(xiàn)數(shù)百種E3，其多樣性表明整個系，其多樣性表明整個系統(tǒng)中的底物特異性。因為在統(tǒng)中的底物特異性。因為在選擇底物選擇底物的過程的過程中，中，E3起關(guān)鍵作用，它直接或間接通過輔助起關(guān)鍵作用，它直接或間接通過輔助蛋白與底物發(fā)生聯(lián)系。蛋白與底物發(fā)生聯(lián)系。二、二、UPPUPP的作用機(jī)制的作用機(jī)制 UPP 可通過識別、可通過識別、 標(biāo)記、標(biāo)記、 進(jìn)而降解那些被泛素進(jìn)而降解那些被泛素化的蛋白質(zhì)發(fā)揮作用。整個過程分三個步驟化的蛋白質(zhì)發(fā)揮作用。整個過程分三個步驟: ( 1) 單泛素化單泛素化 ( 2) 多聚泛素化多聚泛素化 ( 3) 降解靶蛋白降解靶蛋白單泛素化

8、單泛素化 單泛素化是一個由多種酶（單泛素化是一個由多種酶（E1、E2、 E3 ）和）和ATP 參與的級聯(lián)反應(yīng)。與磷酸化相參與的級聯(lián)反應(yīng)。與磷酸化相似，泛素化是一個可逆的過程，通過泛素似，泛素化是一個可逆的過程，通過泛素化酶和去泛素化酶維持平衡。單泛素化不化酶和去泛素化酶維持平衡。單泛素化不能降解靶基因，只是起到調(diào)節(jié)作用。泛素能降解靶基因，只是起到調(diào)節(jié)作用。泛素化過程如下圖所示?；^程如下圖所示。圖圖1 泛素化的過程泛素化的過程多聚泛素化多聚泛素化 多聚泛素化，即由數(shù)個泛素分子形成的泛素鏈多聚泛素化，即由數(shù)個泛素分子形成的泛素鏈C端的甘氨酸與單泛素化底物特異性結(jié)合。端的甘氨酸與單泛素化底物特異性

9、結(jié)合。Ub 與與靶蛋白的共價連接，至少需要靶蛋白的共價連接，至少需要4 5 個個Ub 連接到連接到靶蛋白上，形成多聚泛素鏈。靶蛋白上，形成多聚泛素鏈。降解靶蛋白降解靶蛋白 靶蛋白多聚泛素鏈形成后必將運送到靶蛋白多聚泛素鏈形成后必將運送到26S 蛋白酶體，蛋白酶體，進(jìn)而降解，釋放游離泛素。進(jìn)而降解，釋放游離泛素。 （1）19S 亞基的唇部識別泛素化了的靶蛋白，基座中的亞基的唇部識別泛素化了的靶蛋白，基座中的有有6 個個ATP 酶解開蛋白的二級結(jié)構(gòu)，并使其進(jìn)入酶解開蛋白的二級結(jié)構(gòu)，并使其進(jìn)入20S 催催化亞基的催化中心。化亞基的催化中心。 （2）靶蛋白被水解成含）靶蛋白被水解成含3 22 個氨基酸

10、殘基的多肽，個氨基酸殘基的多肽，而多級泛素鏈在泛素再循環(huán)酶的作用下分解成單個泛素而多級泛素鏈在泛素再循環(huán)酶的作用下分解成單個泛素分子，釋放出來被重新利用。如此形成一個完整的泛素分子，釋放出來被重新利用。如此形成一個完整的泛素 蛋白酶體途徑的循環(huán)。蛋白酶體途徑的循環(huán)。泛素-蛋白酶體途徑 （Ubiquitin-Proteasome Pathway，UPP）蛋白質(zhì)降解蛋白質(zhì)降解去泛素化去泛素化泛素活化泛素活化泛素結(jié)合泛素結(jié)合26S 26S 蛋白酶體蛋白酶體小肽小肽泛素泛素目標(biāo)蛋白目標(biāo)蛋白DUBs三、三、UPP與疾病與疾病 UPP與許多人類疾病有關(guān)。與泛素相關(guān)的與許多人類疾病有關(guān)。與泛素相關(guān)的疾病可分

11、為疾病可分為2種種:一種是泛素體系酶的突變導(dǎo)致的功能喪失或者一種是泛素體系酶的突變導(dǎo)致的功能喪失或者是目標(biāo)底物蛋白識別基序的改變是目標(biāo)底物蛋白識別基序的改變,而導(dǎo)致某種蛋而導(dǎo)致某種蛋白的穩(wěn)定。白的穩(wěn)定。另一種是目標(biāo)蛋白功能不正?；蚣铀俳到獾慕Y(jié)另一種是目標(biāo)蛋白功能不正?；蚣铀俳到獾慕Y(jié)果。果。泛素蛋白酶體途徑是細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的關(guān)鍵調(diào)泛素蛋白酶體途徑是細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因素節(jié)因素,細(xì)胞的許多重要蛋白都在此通路的調(diào)控細(xì)胞的許多重要蛋白都在此通路的調(diào)控之下。之下。 泛素蛋白酶體通路對細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及細(xì)泛素蛋白酶體通路對細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及細(xì)胞生長調(diào)控是一個很重要的調(diào)節(jié)因素胞生長調(diào)控是一個很重要的調(diào)節(jié)因

12、素,并與許多并與許多生理及病理過程密切相關(guān)。生理及病理過程密切相關(guān)。（一）泛素-蛋白酶體途徑（UPP）與癌癥發(fā)生1.UPP調(diào)控細(xì)胞周期與癌癥發(fā)生調(diào)控細(xì)胞周期與癌癥發(fā)生細(xì)胞周期包括：細(xì)胞周期包括：pG1G1期：第一個間期，主要進(jìn)行細(xì)胞體期：第一個間期，主要進(jìn)行細(xì)胞體積的增大積的增大, ,并為并為DNADNA合成作準(zhǔn)備。不分裂合成作準(zhǔn)備。不分裂細(xì)胞則停留在細(xì)胞則停留在G1 G1 期。期。pS S 期：期：DNA DNA 合成時期，染色體數(shù)目在合成時期，染色體數(shù)目在此期加倍。此期加倍。 pG2G2期：期：DNA DNA 合成后至細(xì)胞分裂開始之合成后至細(xì)胞分裂開始之前的第二個間期，為細(xì)胞分裂作準(zhǔn)備。前

13、的第二個間期，為細(xì)胞分裂作準(zhǔn)備。 pM M 期：細(xì)胞分裂期。期：細(xì)胞分裂期。pG0G0期：離開細(xì)胞周期不再進(jìn)行分裂的期：離開細(xì)胞周期不再進(jìn)行分裂的時期，也就是休息的時期。時期，也就是休息的時期。 蛋白酶體對細(xì)胞周期的調(diào)控蛋白酶體對細(xì)胞周期的調(diào)控 P27P27KIP1KIP1具有負(fù)反饋調(diào)節(jié)具有負(fù)反饋調(diào)節(jié)CDK2CDK2Cyclin ECyclin E和和CDK2CDK2Cyclin A Cyclin A 復(fù)合體的作用，阻止細(xì)胞周期從復(fù)合體的作用，阻止細(xì)胞周期從G G期進(jìn)期進(jìn)入入S S期，從而起到抑制細(xì)胞生長的作用。期，從而起到抑制細(xì)胞生長的作用。 P27P27KIP1KIP1的表達(dá)受的表達(dá)受E3

14、E3家族家族SCFSCF和后期促進(jìn)復(fù)合物和后期促進(jìn)復(fù)合物（APC/CAPC/C）兩種蛋白酶的調(diào)控。）兩種蛋白酶的調(diào)控。 在一些腫瘤中，在一些腫瘤中，SCFSCF的的Skp2Skp2亞基活性增加，從而使亞基活性增加，從而使p27p27KIP1KIP1發(fā)生過度泛素化，而被蛋白酶體降解。發(fā)生過度泛素化，而被蛋白酶體降解。 由于由于p27p27KIP1KIP1的泛素化降解，下調(diào)了細(xì)胞內(nèi)的的泛素化降解，下調(diào)了細(xì)胞內(nèi)的p27p27水水平，使細(xì)胞增殖異常加快，這可能是導(dǎo)致細(xì)胞癌平，使細(xì)胞增殖異常加快，這可能是導(dǎo)致細(xì)胞癌變的重要原因。變的重要原因。2.UPP調(diào)控細(xì)胞凋亡與癌癥發(fā)生調(diào)控細(xì)胞凋亡與癌癥發(fā)生細(xì)胞凋亡

15、（細(xì)胞凋亡（apoptosisapoptosis）是指細(xì)胞在一定的生理）是指細(xì)胞在一定的生理或病理條件下，受內(nèi)在遺傳機(jī)制的控制自動結(jié)或病理條件下，受內(nèi)在遺傳機(jī)制的控制自動結(jié)束生命的過程。束生命的過程。細(xì)胞凋亡是生物界廣泛存在的一種基本生命現(xiàn)細(xì)胞凋亡是生物界廣泛存在的一種基本生命現(xiàn)象，如同細(xì)胞生長、發(fā)育、增殖一樣，起著十象，如同細(xì)胞生長、發(fā)育、增殖一樣，起著十分重要的作用。分重要的作用。UPP通過通過26S蛋白酶體降解一些與凋亡相關(guān)的蛋白酶體降解一些與凋亡相關(guān)的蛋白，如轉(zhuǎn)錄因子，凋亡前蛋白和抗凋亡蛋白蛋白，如轉(zhuǎn)錄因子，凋亡前蛋白和抗凋亡蛋白等，發(fā)揮調(diào)控細(xì)胞凋亡的作用。等，發(fā)揮調(diào)控細(xì)胞凋亡的作用。

16、2.1 UPP對對p53蛋白的調(diào)控蛋白的調(diào)控p53蛋白是細(xì)胞內(nèi)重要的凋亡蛋白是細(xì)胞內(nèi)重要的凋亡調(diào)控因子，可通過激活一系列調(diào)控因子，可通過激活一系列靶基因?qū)崿F(xiàn)凋亡調(diào)控功能。靶基因?qū)崿F(xiàn)凋亡調(diào)控功能。MDM2是是E3家族成員，促進(jìn)家族成員，促進(jìn)p53從核內(nèi)向細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運，使從核內(nèi)向細(xì)胞質(zhì)轉(zhuǎn)運，使之被泛素化后降解，從而發(fā)揮之被泛素化后降解，從而發(fā)揮抗凋亡作用?？沟蛲鲎饔?。多種腫瘤細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)多種腫瘤細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)UPP活性活性上調(diào)，上調(diào)，p53蛋白降解增加，腫蛋白降解增加，腫瘤細(xì)胞增殖明顯上升。瘤細(xì)胞增殖明顯上升。2.2 UPP對轉(zhuǎn)錄因子對轉(zhuǎn)錄因子NF-B的的調(diào)控調(diào)控細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子NF-B可以激活可

17、以激活抗凋亡基因如抗凋亡基因如bcl-2等，發(fā)揮等，發(fā)揮抗凋亡作用抗凋亡作用 。正常情況下，正常情況下， NF-B 活性被活性被IB抑制抑制 。腫瘤細(xì)胞中參與腫瘤細(xì)胞中參與IB 降解的蛋降解的蛋白酶體活性增加，細(xì)胞內(nèi)白酶體活性增加，細(xì)胞內(nèi)NF-B 水平升高，細(xì)胞增殖增加。水平升高，細(xì)胞增殖增加。（二）神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)病機(jī)制中的（二）神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)病機(jī)制中的作用作用 近年來發(fā)現(xiàn)泛素系統(tǒng)也與神經(jīng)細(xì)胞近年來發(fā)現(xiàn)泛素系統(tǒng)也與神經(jīng)細(xì)胞變性有關(guān)。如引起帕金森病的一個重要變性有關(guān)。如引起帕金森病的一個重要因子是因子是Parkin,后者是泛素和蛋白的后者是泛素和蛋白的E3連連接酶接酶,能與能與E2 UbcH7

18、和和UbcH8 共同作用共同作用,而而Parkin自身也是經(jīng)泛素化調(diào)節(jié)降解自身也是經(jīng)泛素化調(diào)節(jié)降解,一一旦旦Parkin變性變性,影響某些蛋白降解影響某些蛋白降解,就會引就會引起多巴胺類神經(jīng)元的毒性損傷而引起常起多巴胺類神經(jīng)元的毒性損傷而引起常染色體隱性少年型帕金森病染色體隱性少年型帕金森病( autosomal recessive juvenile parkinsomism)。 UPP 與膿毒癥與膿毒癥 膿毒癥是嚴(yán)重?zé)齻?、?yán)重創(chuàng)傷及大手術(shù)后患者常見膿毒癥是嚴(yán)重?zé)齻?yán)重創(chuàng)傷及大手術(shù)后患者常見的并發(fā)癥，進(jìn)一步發(fā)展可導(dǎo)致膿毒性休克和多器官功能障的并發(fā)癥，進(jìn)一步發(fā)展可導(dǎo)致膿毒性休克和多器官功能障礙

19、綜合癥等，是臨床危重病患者的主要死亡原因。礙綜合癥等，是臨床危重病患者的主要死亡原因。 研究結(jié)果表明，膿毒癥時骨骼肌蛋白降解增強有可能研究結(jié)果表明，膿毒癥時骨骼肌蛋白降解增強有可能不是由于溶酶體蛋白降解途徑和鈣依賴性途徑被激活所致。不是由于溶酶體蛋白降解途徑和鈣依賴性途徑被激活所致。又發(fā)現(xiàn)，膿毒癥患者骨骼肌的泛素又發(fā)現(xiàn)，膿毒癥患者骨骼肌的泛素mRNA水平比正常者增水平比正常者增加加7倍多，而且蛋白酶體中的基因表達(dá)也增加。上述研究倍多，而且蛋白酶體中的基因表達(dá)也增加。上述研究結(jié)果提示，膿毒癥時骨骼肌結(jié)果提示，膿毒癥時骨骼肌蛋白降解的增強蛋白降解的增強是由于是由于UPP的的上調(diào)表達(dá)上調(diào)表達(dá)的結(jié)果。的結(jié)果。UPP 與囊性纖維病與囊性纖維病 囊性纖維化囊性纖維化(CF) 是一種常見的先天性常染色體隱形異是一種常見的先天性常染色體隱形異常的多系統(tǒng)紊亂的遺傳性疾病，會造成肺部一再感染