泛素-蛋白酶途徑降解蛋白質與疾病

1、泛素蛋白酶途徑(tjng)(UPP)降解蛋白質與疾病主講人：共三十二頁哺乳動物(brdngw)細胞中蛋白質的降解異常(ychng)蛋白短周期蛋白內質網(wǎng)相關蛋白長周期蛋白膜蛋白細胞外蛋白泛素-蛋白酶體途徑溶酶體途徑氨基酸小肽80-90%10-20%共三十二頁目錄(ml)UPP的構成(guchng)UPP的作用機制UPP與疾病問題與展望共三十二頁泛素調節(jié)的蛋白質降解(jin ji)概述 蛋白質的降解是一個精細控制的過程，首先有待降解的蛋白質被一種多肽（稱之為泛素）所標記，接著這些蛋白質進入細胞的蛋白酶復合體中，蛋白酶復合體是一個上下有蓋的圓桶狀酵素，它們(t men)如同細胞的垃圾桶，專門負責蛋白

2、質的分解及再循環(huán)利用，泛素在這一過程中釋出訊號，讓蛋白酶復合體分辨出有待降解的蛋白質。共三十二頁 泛素-蛋白酶體途徑（UPP）的構成(guchng)： 主要包括 泛素( ubiquitin, Ub)、 泛素活化酶( ubiquitin-activatingenzyme, E1)、 泛素連接酶( ubiquitin-conjugatingenzyme, E2)、泛素蛋白連接酶( ubiquitin-protein ligating enzyme,E3)、 26S蛋白酶體 去泛素化酶( deubiquitinating enzyme, DUBs)等。共三十二頁蛋白酶體結構(jigu)26S 蛋白酶

3、體包括2個19S調控蛋白和一個(y )20S核心蛋白共三十二頁20S 蛋白酶體至少(zhsho)有三種不同的蛋白酶活性已知的20S 蛋白酶體蛋白酶活性至少有三種，催化位點均位于(wiy)亞基上，分別是：類糜蛋白酶活性（5），類胰蛋白酶活性（2），肽-谷氨酰肽水解酶活性（1） 共三十二頁泛素泛素由76個aa組成，廣泛存在于真核生物，不同來源的泛素蛋白具有類似的結構、功能和免疫學特征，其空間結構如圖1所示。其功能位點為C-末端(m dun)76Gly殘基和Lys殘基，76Gly殘基能與E1、E2、E3以共價鍵相互作用。泛素是UPP的重要組成部分，激活后識別、 標記靶蛋白。共三十二頁泛素活化(huh

4、u)酶 泛素活化酶（E1）在細胞中含量(hnling)豐富，為細胞生存和活性所需，在進化中很保守; 可能是由兩個分子量為105KD亞基組成的二聚體; 目前，在哺乳動物中發(fā)現(xiàn)一種有活性的泛素活化酶; 其主要功能是激活泛素。共三十二頁泛素結合(jih)酶 目前有50 種泛素結合酶（E2）被發(fā)現(xiàn)，其中酵母中13 種，哺乳動物中有20 多種，由此推測E2 的多樣性與靶蛋白(dnbi)泛素化特異性有關; 多數(shù)E2為小分子量蛋白(dnbi)，其共性是有1416KD 核心區(qū)域，核心區(qū)域內含有維持其活性所需的半胱氨酸殘基；其主要功能是把泛素連接到靶蛋白或E3上。共三十二頁泛素連接酶 泛素連接酶（E3）可識別靶

5、蛋白(dnbi)中特異性模體，并催化泛素與E2脫離而與靶蛋白(dnbi)結合，目前已發(fā)現(xiàn)數(shù)百種E3，其多樣性表明整個系統(tǒng)中的底物特異性。因為在選擇底物的過程中，E3起關鍵作用，它直接或間接通過輔助蛋白與底物發(fā)生聯(lián)系。共三十二頁二、UPP的作用(zuyng)機制 UPP 可通過(tnggu)識別、 標記、 進而降解那些被泛素化的蛋白質發(fā)揮作用。整個過程分三個步驟: ( 1) 單泛素化 ( 2) 多聚泛素化 ( 3) 降解靶蛋白共三十二頁單泛素化 單泛素化是一個由多種酶（E1、E2、 E3 ）和ATP 參與(cny)的級聯(lián)反應。與磷酸化相似，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

6、。單泛素化不能降解靶基因，只是起到調節(jié)作用。泛素化過程如下圖所示。共三十二頁圖1 泛素化的過程(guchng)共三十二頁多聚泛素化 多聚泛素化，即由數(shù)個泛素分子形成的泛素鏈C端的甘氨酸與單泛素化底物特異性結合。Ub 與靶蛋白的共價(n ji)連接，至少需要4 5 個Ub 連接到靶蛋白上，形成多聚泛素鏈。共三十二頁降解(jin ji)靶蛋白 靶蛋白多聚泛素鏈形成后必將運送到26S 蛋白酶體，進而降解，釋放游離泛素。 （1）19S 亞基的唇部識別泛素化了的靶蛋白，基座中的有6 個ATP 酶解開蛋白的二級結構(jigu)，并使其進入20S 催化亞基的催化中心。 （2）靶蛋白被水解成含3 22 個氨基

7、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)。共三十二頁泛素-蛋白酶體途徑(tjng) （Ubiquitin-Proteasome Pathway，UPP）蛋白質降解去泛素化泛素活化泛素結合26S 蛋白酶體小肽泛素目標蛋白DUBs共三十二頁共三十二頁三、UPP與疾病(jbng) UPP與許多人類疾病有關。與泛素相關的疾病可分為2種:一種是泛素體系酶的突變(tbin)導致的功能喪失或者是目標底物蛋白識別基序的改變,而導致某種蛋白的穩(wěn)定。另一種是目標蛋白功能不正?；蚣铀俳到獾慕Y果。泛素蛋白酶體途徑是細胞內環(huán)境穩(wěn)定

8、的關鍵調節(jié)因素,細胞的許多重要蛋白都在此通路的調控之下。 泛素蛋白酶體通路對細胞內信號轉導及細胞生長調控是一個很重要的調節(jié)因素,并與許多生理及病理過程密切相關。共三十二頁（一）泛素-蛋白酶體途徑(tjng)（UPP）與癌癥發(fā)生UPP調控細胞周期與癌癥(i zhn)發(fā)生細胞周期包括：G1期：第一個間期，主要進行細胞體積的增大,并為DNA合成作準備。不分裂細胞則停留在G1 期。S 期：DNA 合成時期，染色體數(shù)目在此期加倍。 G2期：DNA 合成后至細胞分裂開始之前的第二個間期，為細胞分裂作準備。 M 期：細胞分裂期。G0期：離開細胞周期不再進行分裂的時期，也就是休息的時期。 共三十二頁蛋白酶體對

9、細胞周期的調控(dio kn)共三十二頁P27KIP1具有負反饋調節(jié)CDK2Cyclin E和CDK2Cyclin A 復合體的作用(zuyng)，阻止細胞周期從G期進入S期，從而起到抑制細胞生長的作用。P27KIP1的表達受E3家族SCF和后期促進復合物（APC/C）兩種蛋白酶的調控。在一些腫瘤中，SCF的Skp2亞基活性增加，從而使p27KIP1發(fā)生過度泛素化，而被蛋白酶體降解。由于p27KIP1的泛素化降解，下調了細胞內的p27水平，使細胞增殖異常加快，這可能是導致細胞癌變的重要原因。共三十二頁UPP調控細胞凋亡與癌癥發(fā)生細胞凋亡（apoptosis）是指細胞在一定的生理或病理條件下，受

10、內在遺傳機制的控制自動(zdng)結束生命的過程。細胞凋亡是生物界廣泛存在的一種基本生命現(xiàn)象，如同細胞生長、發(fā)育、增殖一樣，起著十分重要的作用。UPP通過26S蛋白酶體降解一些與凋亡相關的蛋白，如轉錄因子，凋亡前蛋白和抗凋亡蛋白等，發(fā)揮調控細胞凋亡的作用。共三十二頁2.1 UPP對p53蛋白(dnbi)的調控p53蛋白是細胞內重要的凋亡調控因子，可通過激活一系列靶基因實現(xiàn)凋亡調控功能。MDM2是E3家族成員，促進p53從核內向細胞質轉運，使之被泛素化后降解，從而發(fā)揮抗凋亡作用。多種腫瘤細胞中發(fā)現(xiàn)UPP活性上調，p53蛋白降解增加，腫瘤細胞增殖明顯上升。共三十二頁2.2 UPP對轉錄因子NF-B

11、的調控細胞(xbo)轉錄因子NF-B可以激活抗凋亡基因如bcl-2等，發(fā)揮抗凋亡作用 。正常情況下， NF-B 活性被IB抑制 。腫瘤細胞中參與IB 降解的蛋白酶體活性增加，細胞內NF-B 水平升高，細胞增殖增加。共三十二頁（二）神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)病機制(jzh)中的作用 近年來發(fā)現(xiàn)泛素系統(tǒng)也與神經(jīng)細胞變性有關。如引起帕金森病的一個(y )重要因子是Parkin,后者是泛素和蛋白的E3連接酶,能與E2 UbcH7 和UbcH8 共同作用,而Parkin自身也是經(jīng)泛素化調節(jié)降解,一旦Parkin變性,影響某些蛋白降解,就會引起多巴胺類神經(jīng)元的毒性損傷而引起常染色體隱性少年型帕金森病( autosom

12、al recessive juvenile parkinsomism)。共三十二頁共三十二頁 UPP 與膿毒癥 膿毒癥是嚴重燒傷、嚴重創(chuàng)傷及大手術后患者常見的并發(fā)癥，進一步發(fā)展可導致膿毒性休克和多器官功能障礙綜合癥等，是臨床危重病患者的主要死亡原因。 研究結果(ji gu)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。又發(fā)現(xiàn)，膿毒癥患者骨骼肌的泛素mRNA水平比正常者增加7倍多，而且蛋白酶體中的基因表達也增加。上述研究結果(ji gu)提示，膿毒癥時骨骼肌蛋白降解的增強是由于UPP的上調表達的結果。共三十二頁UPP 與囊性纖維(xinwi)病 囊性纖

13、維化(CF) 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和腸道難以吸收營養(yǎng)素。其致病原因之一是囊性纖維化跨膜轉導調節(jié)因子(CFTR，一種氯離子通道)基因突變導致CFTR 不能正常到達細胞表面，而在內質網(wǎng)中沉積，并被UPP 降解。CFTR的減少導致細胞膜對部分離子的通透性降低進而造成粘液分泌(fnm)過多，而這些粘液不能自由流出呼吸管，因而一再造成感染。共三十二頁五、問題(wnt)與展望 泛素蛋白有著廣泛的生物學功能，泛素的開發(fā)應用(yngyng)價值將逐漸受到重視，從泛素的研究中尋找治療腫瘤疾病、心臟疾病、神經(jīng)疾病等多種疾病的新途徑將是未來醫(yī)學的趨勢之一，泛素在植物基因工程技術和提高植物抗逆性等方面的探索及應用(yngyng)將為未來的農業(yè)提供新的線索與方向。共三十二頁參考文獻國際病理與臨床雜志泛素蛋白酶體途徑及意義光明中醫(yī)泛素蛋白酶體途徑在惡性腫瘤中的研究進展江西科學泛素蛋白酶體途徑的生物學功能(gngnng) 生理科學進展泛素-蛋白酶體途徑的組成和功能共三十二頁內容摘要泛素蛋白酶途徑(UPP)降解蛋白質與疾病。其功能位點為C-末端76Gly殘基和Lys殘基，76Gly殘基能與E1、E2、E3以共價鍵相互作用。如此形成一個(y )完整的泛素 蛋白酶體途徑