泛素介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解

2004年10月6日，兩名以色列科學(xué)家阿龍·切哈諾沃（AaronCiechanover）、阿夫拉姆·赫什科（AvramHershko）和一位美國科學(xué)家歐文·羅斯（IrwinRose因為發(fā)現(xiàn)了泛素（Ub）調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)降解，而授予他們諾貝爾化學(xué)獎，以表彰他們的成果和努力。本文檔共26頁；當(dāng)前第1頁；編輯于星期三\6點(diǎn)4分生物體內(nèi)蛋白質(zhì)的兩種降解過程:

一種：溶酶體，不需要能量，無選擇性的降解。主要是降解細(xì)胞通過胞吞作用攝取的外源蛋白質(zhì)。另一種：需要能量，高效率、指向性很強(qiáng)的降解過程。比如多數(shù)細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)降解。這個過程需要泛素調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)降解，即泛素—蛋白酶體途徑(UPP)介導(dǎo)的蛋白水解過程本文檔共26頁；當(dāng)前第2頁；編輯于星期三\6點(diǎn)4分泛素調(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，首先有待降解的蛋白質(zhì)被一種多肽（稱之為泛素）所標(biāo)記（蛋白質(zhì)的泛素化），接著這些泛素化的蛋白質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的蛋白酶復(fù)合體的活性位點(diǎn)，蛋白質(zhì)被降解成7~9個氨基酸長度的短肽片段后，從蛋白酶體的另一段被釋放。本文檔共26頁；當(dāng)前第3頁；編輯于星期三\6點(diǎn)4分泛素—蛋白酶體途徑(upp)的組成

泛素—蛋白酶體途徑(upp)由泛素(ubiquitin,ub)以及一系列相關(guān)的酶組成。除泛素以外還包括4種酶家族:泛素活化酶(E1)、泛素偶連酶(E2)也稱泛素載體蛋白()、泛素-蛋白連接酶(,E3)和蛋白酶體(proteasome)

。本文檔共26頁；當(dāng)前第4頁；編輯于星期三\6點(diǎn)4分泛素調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)降解的發(fā)現(xiàn)史

1953年，當(dāng)時Simpson利用放射性同位素標(biāo)記法進(jìn)行蛋白質(zhì)代謝實驗，并隨后發(fā)表了名為“生物細(xì)胞中的蛋白質(zhì)分解中需要代謝能量即需要ATP的加水分解”的論文，但是，這個驚人的研究發(fā)現(xiàn)并沒有引起科學(xué)界的廣泛重視，甚至為人們所忽略。在當(dāng)時的熱力學(xué)研究中，水分解反應(yīng)是產(chǎn)能反應(yīng)，與合成反應(yīng)需要能量的過程是截然不同的。本文檔共26頁；當(dāng)前第5頁；編輯于星期三\6點(diǎn)4分泛素調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)降解的發(fā)現(xiàn)史

在1960年，人們發(fā)現(xiàn)了溶酶體這個及其重要的細(xì)胞器，他被認(rèn)為是蛋白質(zhì)降解的重要場所。后來人們發(fā)現(xiàn)了溶酶體抑制劑，經(jīng)過細(xì)胞溶酶體機(jī)能抑制劑的作用后，細(xì)胞內(nèi)任然存在部分蛋白質(zhì)的分解難以抑制。表明在細(xì)胞內(nèi)存在與溶酶體不同的蛋白分解系統(tǒng)。本文檔共26頁；當(dāng)前第6頁；編輯于星期三\6點(diǎn)4分在1975年，就有人從牛胸腺中分離出一種含76個氨基酸殘基的多肽，相對分子質(zhì)量為8.45ku,后來被證實具有標(biāo)記待降解蛋白質(zhì)的作用，由于它廣泛存在于生命體，因此被命名為“泛素”。

1977年，Goldberg等發(fā)表一篇“他們在試管內(nèi)再次發(fā)現(xiàn)Simpson所觀察到的現(xiàn)象”的論文。這篇論文引起了科學(xué)界對Simpson的發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)烈關(guān)注。Goldberg等報道網(wǎng)織紅細(xì)胞(未發(fā)育成熟的紅細(xì)胞）的提取液中加入ATP顯著促進(jìn)了蛋白質(zhì)的分解，也就是說蛋白分解伴隨著能量的消耗，在細(xì)胞外，蛋白質(zhì)在蛋白酶的催化下水解釋放能量，蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)被降解卻需要能量，給科學(xué)家們造成了很大的困擾。本文檔共26頁；當(dāng)前第7頁；編輯于星期三\6點(diǎn)4分1977年開始AvramHershko致力于研究網(wǎng)狀細(xì)胞提取物。在試圖利用色譜法除去血紅蛋白的過程中，AaronCiechanover和AvramHershko發(fā)現(xiàn)此提取物可被分為兩個部分，當(dāng)兩部分融合在一起時，就會產(chǎn)生ATP依賴性的蛋白質(zhì)降解。1978年，他們認(rèn)為這種活性來源于一個多肽。這種多肽（APF-1）分子量只有9000，即為泛素。本文檔共26頁；當(dāng)前第8頁；編輯于星期三\6點(diǎn)4分

1980年發(fā)表了兩篇文章，第一篇指出APF-1可以與提取物中的許多蛋白質(zhì)以共價鍵的形式結(jié)合。第二篇文章中，作者進(jìn)一步闡述一個蛋白質(zhì)分子能夠與多個APF-1分子結(jié)合的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為多泛素化。蛋白質(zhì)底物的多泛素化是引導(dǎo)其降解的信號。研究者們推測，細(xì)胞正是通過對以ATP形式儲存的能量的需求，控制泛素引導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解過程的特異性的。本文檔共26頁；當(dāng)前第9頁；編輯于星期三\6點(diǎn)4分“多步泛素引發(fā)”學(xué)說

在后來的研究中，三位科學(xué)家及其成員們發(fā)現(xiàn)了與此相關(guān)的3種酶，分別命名為E1、E2、E3，并且在據(jù)此提出了“多步泛素引發(fā)”假說，即在人體細(xì)胞中含有多種E1酶、E2酶、E3酶。蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的降解的過程：（1）E1酶激活泛素分子，此過程需要消耗能量；（2）泛素分子被轉(zhuǎn)移到E2酶上；此上過程被稱為泛素活化（3）E3酶識別待降解的目標(biāo)蛋白質(zhì)（靶蛋白），E2-泛素復(fù)合物結(jié)合到目標(biāo)蛋白質(zhì)附近，泛素標(biāo)記物從E2酶轉(zhuǎn)移到目標(biāo)蛋白質(zhì)上；（蛋白質(zhì)的泛素化）（4）E3酶釋放已被泛素標(biāo)記的蛋白；本文檔共26頁；當(dāng)前第10頁；編輯于星期三\6點(diǎn)4分多步泛素引發(fā)學(xué)說（5）重復(fù)最后一步，直至蛋白質(zhì)上連接的多個泛素形成一條短鏈；（6）泛素短鏈在蛋白酶體開口處被識別，泛素標(biāo)記物被切除，蛋白質(zhì)被切割成小片段。視頻本文檔共26頁；當(dāng)前第11頁；編輯于星期三\6點(diǎn)4分蛋白質(zhì)的泛素化E1與ATP結(jié)合后，催化泛素羧基末端腺嘌呤化，同時釋放無機(jī)焦磷酸（PPi）。E1活化位點(diǎn)的半胱氨酸硫醇激活泛素腺嘌呤核苷酸中間產(chǎn)物上的羧基，形成一個泛素硫酯鍵。E2激活的重要條件是位于UBC結(jié)構(gòu)域的一個保守半胱氨酸催化位點(diǎn)與泛素羧基端形成一個硫酯鍵。E3催化被E2活化的泛素C-端甘氨酸與底物或下一個泛素的賴氨酸間形成泛素異肽鍵(Isopeptidebond)。本文檔共26頁；當(dāng)前第12頁；編輯于星期三\6點(diǎn)4分蛋白質(zhì)泛素化返回本文檔共26頁；當(dāng)前第13頁；編輯于星期三\6點(diǎn)4分蛋白酶體每個人體細(xì)胞中含有30000個呈桶狀的大小約為20S蛋白酶體，他們能夠?qū)缀跛械牡鞍踪|(zhì)降解成7到9個氨基酸長度的肽鏈。蛋白酶體降解蛋白質(zhì)的活性中心位于桶狀結(jié)構(gòu)的中心，與細(xì)胞中其他部分隔絕。進(jìn)入活性部位的唯一通路是“鎖”（lock，一種19S的復(fù)合物），它能夠識別被泛素化的蛋白質(zhì)，破壞其折疊結(jié)構(gòu)，并輔助蛋白質(zhì)穿過蛋白酶體的狹窄通道，進(jìn)入位于桶狀結(jié)構(gòu)中心的活性位點(diǎn)。本文檔共26頁；當(dāng)前第14頁；編輯于星期三\6點(diǎn)4分蛋白酶體在活性位點(diǎn)目標(biāo)蛋白質(zhì)被降解成7~9個氨基酸長度的短肽片段后，從蛋白酶體的另一段被釋放。此外，19S復(fù)合物上還含有一種異肽酶，能夠?qū)⒎核貜牡孜锏鞍踪|(zhì)上除去（去泛素化）。因此，蛋白酶體本身對蛋白質(zhì)并沒有選擇性，具有選擇性的是E3酶，它只對待降解的蛋白質(zhì)進(jìn)行泛素化標(biāo)記。

本文檔共26頁；當(dāng)前第15頁；編輯于星期三\6點(diǎn)4分蛋白酶復(fù)合體本文檔共26頁；當(dāng)前第16頁；編輯于星期三\6點(diǎn)4分蛋白質(zhì)的去泛素化

去泛素化作用是泛素化過程的逆轉(zhuǎn)。在真核細(xì)胞內(nèi)已發(fā)現(xiàn)多種去泛素化酶,它們能夠水解泛素和底物蛋白之間的硫酯鍵,還能把錯誤識別的底物從泛素化復(fù)合體中釋放出來。它們又可以分為兩類:（1）泛素羧端水解酶(ubiquitinC-terminalhydrolases(UCHs))：分子量為20～30KD,水解去除和泛素C末端連接的小肽,也參與泛素多聚體產(chǎn)生泛素單體的過程,促進(jìn)泛素再循環(huán),對泛素系統(tǒng)的正常運(yùn)行是很有必要的。（2）泛素特異性加工酶(ubiquitin-spicificprote2ases-UBPs/USPs)：分子量大約為100KD,參與去除和解聚底物蛋白質(zhì)上的多聚泛素鍵,從而防止多聚泛素在底物蛋白的聚集。本文檔共26頁；當(dāng)前第17頁；編輯于星期三\6點(diǎn)4分研究的進(jìn)展一、泛素樣蛋白的來源

蛋白質(zhì)與泛素蛋白或泛素樣蛋白（UBL）相結(jié)合，UBL蛋白可以控制被修飾蛋白與其它生物大分子（比如蛋白酶體或染色質(zhì)）間的相互作用。有越來越多的證據(jù)表明這種UBL修飾途徑來自原核生物的硫轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)及相關(guān)酶類。而且，在真核生物的共同祖先中，類似于UBL連接酶和UBL去連接酶的蛋白也是廣泛存在的，這些證據(jù)都說明UBL修飾系統(tǒng)不是起源于真核生物。

本文檔共26頁；當(dāng)前第18頁；編輯于星期三\6點(diǎn)4分研究的進(jìn)展二、泛素調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)降解與人體免疫

泛素化修飾過程是一種可逆的共價修飾過程，它能夠調(diào)節(jié)被修飾蛋白的穩(wěn)定性、功能活性狀態(tài)以及細(xì)胞內(nèi)定位等情況。泛素化修飾作用在人體免疫系統(tǒng)的發(fā)育以及免疫反應(yīng)的各個階段，比如免疫反應(yīng)的起始、發(fā)展和結(jié)束等過程中發(fā)揮了重要作用。最近的研究結(jié)果顯示，有好幾種泛素連接酶都參與了防止免疫系統(tǒng)攻擊自體組織的過程。本文檔共26頁；當(dāng)前第19頁；編輯于星期三\6點(diǎn)4分二、

泛素調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)降解與人體免疫

1、泛素蛋白在天然免疫（天然免疫是我們與生俱來的一種非常有效的免疫機(jī)制，它是人體抵御外來侵襲的第一道防線。）中的作用。2、泛素化修飾途徑在獲得性免疫機(jī)制（獲得性免疫機(jī)制是受到能表達(dá)各種抗原受體的T細(xì)胞和B細(xì)胞調(diào)控的一種機(jī)體免疫機(jī)制）中的作用3、泛素修飾系統(tǒng)在自身免疫機(jī)制中的作用本文檔共26頁；當(dāng)前第20頁；編輯于星期三\6點(diǎn)4分泛素調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)降解的研究展望對此項內(nèi)容的研究可以幫助我們從分子水平來理解一些重要的生化過程,*細(xì)胞分裂*DNA的修復(fù)*基因復(fù)制*新生蛋白質(zhì)的質(zhì)量控制*解釋免疫系統(tǒng)的工作方式,*探索一些疾病的發(fā)生機(jī)理,（癌癥）本文檔共26頁；當(dāng)前第21頁；編輯于星期三\6點(diǎn)4分泛素調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)降解的研究展望

泛素調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)降解過程在生物體內(nèi)的作用非常重要。細(xì)胞內(nèi)無用的蛋白質(zhì)，細(xì)胞本身合成的錯誤的蛋白質(zhì),都要通過此途徑來降解。另外對癌細(xì)胞蛋白質(zhì)的降解也有很大的作用。目前,在世界各地的很多實驗室中,科學(xué)家在艱苦不懈地發(fā)現(xiàn)和研究與這一降解過程相關(guān)的新功能。未來癌癥的克服或許要用到泛素調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)降解過程中的去泛素化這一生理機(jī)能。走你本文檔共26頁；當(dāng)前第22頁；編輯于星期三\6點(diǎn)4分泛素調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)降解與癌癥MCL1是維持祖細(xì)胞和干細(xì)胞多能性的重要基因，并且在泛素化的過程中MCL1對BCL2(與細(xì)胞凋亡有關(guān))前體存活也具有重要的意義。過高的MCL1表達(dá)量會促進(jìn)癌癥細(xì)胞對化療產(chǎn)生抗藥性，并且能促使癌癥復(fù)發(fā)。而關(guān)于MCL1過量表達(dá)的機(jī)制卻了解不多。在本研究中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)去泛素化酶USP9X具有穩(wěn)定MCL1表達(dá)，維持癌細(xì)胞穩(wěn)定的功效。USP9X能結(jié)合在MCL1上，并停止Lys48連接的多聚泛素化鏈反應(yīng)。本文檔共26頁；當(dāng)前第23頁；編輯于星期三\6點(diǎn)4分泛素調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)降解與癌癥在淋巴瘤和B細(xì)胞淋巴瘤中，增加USP9X的表達(dá)量可促進(jìn)MCL1蛋白的表達(dá)量。USP9X為廣泛表達(dá)的一個基因，其編碼蛋白為泛素水解酶。此外，研究發(fā)現(xiàn)USP9X過量表達(dá)的患者往往預(yù)后不良，敲除USP9X可增加MCL1的泛素化活性，可有效改變MCL1的表達(dá)。這些結(jié)果都表明，USP9X是癌癥患者預(yù)后的評價標(biāo)志，也可能是一個新的癌癥治療靶位。去泛素化可能是癌細(xì)胞維持穩(wěn)定的機(jī)制。（摘自nature）本文檔共26頁；當(dāng)前第24頁；編輯于星期三\6點(diǎn)4分針對泛素修飾系統(tǒng)的腫瘤治療方案

1.泛素連接系統(tǒng)是致癌信號通路的重要治療靶標(biāo)2.針對泛素連接酶的治療方法3.E3連接酶與腫瘤血管形成之間的關(guān)系4.針對抗凋亡蛋白

5.去泛素化酶在腫瘤進(jìn)展中的作用6.針對腫瘤細(xì)胞的蛋白酶體7.非降解途徑的泛素化修飾作用與腫瘤發(fā)生之間的關(guān)系8.干擾泛素蛋白識別過程9.SUMO修飾過程與癌癥的關(guān)系10.未來還將面臨的挑戰(zhàn)本文檔共26頁；當(dāng)前第25頁；編輯于星期三\6點(diǎn)4分參考文獻(xiàn)1、《化學(xué)教育》2004年第11期《泛素調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)降解》2004年諾貝爾化學(xué)獎簡介

李炎武

譚衛(wèi)兵

鄺雪英

張偉2、臨床與實驗病理學(xué)雜志2008Dec;24(6)去泛素化酶的研究及其進(jìn)展王素霞,劉媛,吳慧娟,張志剛3、《生命奧妙··泛素化途徑與人體免疫系統(tǒng)調(diào)節(jié)》Sep21,201024、Ubiquitin-MediatedProteolysisinLearningandMemory

DanielG.Chain,JamesH.Schwartz*