泛素介導的蛋白質(zhì)降解

1、泛素調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)降解,2013-10-07,2004年諾貝爾化學獎,2004年10月6日，兩名以色列科學家阿龍切哈諾沃 （Aaron Ciechanover）、阿夫拉姆赫什科 （Avram Hershko）和一位美國科學家歐文羅 斯（Irwin Rose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獎，以表彰他們的 成果和努力。,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、指向性很強的降解過程。比如多數(shù)細胞內(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( UP

2、P )介導的蛋白水解過程,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）所標記（蛋白質(zhì)的泛素化），接著這些泛素化的蛋白質(zhì)進入細胞的蛋白酶復合體的活性位點，蛋白質(zhì)被降解成79個氨基酸長度的短肽片段后，從蛋白酶體的另一段被釋放。,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) 。,泛素調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)降

3、解的發(fā)現(xiàn)史,1953年，當時Simpson 利用放射性同位素標記法進行蛋白質(zhì)代謝實驗，并隨后發(fā)表了名為“生物細胞中的蛋白質(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)并沒有引起科學界的廣泛重視，甚至為人們所忽略。在當時的熱力學研究中，水分解反應是產(chǎn)能反應，與合成反應需要能量的過程是截然不同的。,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胞器，他被認為是蛋白質(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)過細胞溶酶體機能抑制劑的作用后，細胞內(nèi)任然存在部分蛋白質(zhì)的分解難以抑制。表明在細胞內(nèi)存在與溶酶體不同的蛋白分解系統(tǒng)。,在1975年，

4、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界對Simpson的發(fā)現(xiàn)的強烈關(guān)注。Goldberg等報道網(wǎng)織紅細胞(未發(fā)育成熟的紅細胞）的提取液中加入ATP顯著促進了蛋白質(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)在細胞內(nèi)被降解卻需要能量，給科學家們造成了很大的困擾。,1977年開始Avram Hershko致

5、力于研究網(wǎng)狀細胞提取物。在試圖利用色譜法除去血紅蛋白的過程中，Aaron Ciechanover和Avram Hershko發(fā)現(xiàn)此提取物可被分為兩個部分，當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。,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其降解的信號。研究者們推測，細胞正是通過對以ATP形式儲存的能量的需求，

6、控制泛素引導的蛋白質(zhì)降解過程的特異性的。,“多步泛素引發(fā)”學說,在后來的研究中，三位科學家及其成員們發(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，即在人體細胞中含有多種E1酶、E2酶、E3酶。蛋白質(zhì)在細胞內(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蛋白質(zhì)（靶蛋白），E2-泛素復合物結(jié)合到目標蛋白質(zhì)附近，泛素標記物從E2酶轉(zhuǎn)移到目標蛋白質(zhì)上； （蛋白質(zhì)的泛素化） （4）E3酶釋放已被泛素標記的蛋白；,多步泛素引發(fā)學說,（5）重復最后一步，直至蛋白

7、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，泛素標記物被切除，蛋白質(zhì)被切割成小片段。,視頻,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，同時釋放無機焦磷酸（PPi）。E1活化位點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 (Isopeptide bond)。,蛋白質(zhì)泛素化,返回,蛋白酶體,每個人體細胞中含有30000個呈桶狀的大小約為20S蛋白酶體，

8、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，與細胞中其他部分隔絕。進入活性部位的唯一通路是“鎖”（lock，一種19S的復合物），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，進入位于桶狀結(jié)構(gòu)中心的活性位點。,蛋白酶體,在活性位點目標蛋白質(zhì)被降解成79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)進行泛素化標記。,蛋白酶復合體,蛋白質(zhì)

9、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 合體中釋放出來。它們又可以分為兩類: （1）泛素羧端水解酶( ubiquitin C - terminal hydrolases (UCHs) )：分子量為2030 KD,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,促進泛素再循環(huán),對泛素系統(tǒng)的正常運行是很有必要的。 （2）泛素特異性加工酶( ubiquitin - spicific prote2ases - UBPs/USPs)：分子量大約為100 KD,參與去除和解

10、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。,研究的進展,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。,研究的進展,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 及細胞內(nèi)定位

11、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 疫反應的各個階段，比如免疫反應的起始、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。,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制（獲得性免疫機制是受到能表達各種抗原受體的T細胞和B細胞調(diào)控的一種機體免疫機制）中的作用 3、泛素修飾系統(tǒng)在自身免疫機制中的作用,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

12、平來理解一些重要的生化過程, *細胞分裂 *DNA 的修復 *基因復制 *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)生機理,（癌癥）,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。細胞內(nèi)無用的蛋白質(zhì)，細胞本身合 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能。,走你,泛素調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)降解與癌癥,MCL1是維持祖細胞和干細胞多能性的重要

13、基因，并且在泛素化的過程中MCL1對BCL2(與細胞凋亡有關(guān))前體存活也具有重要的意義。過高的MCL1表達量會促進癌癥細胞對化療產(chǎn)生抗藥性，并且能促使癌癥復發(fā)。而關(guān)于MCL1過量表達的機制卻了解不多。在本研究中，科學家們發(fā)現(xiàn)去泛素化酶USP9X具有穩(wěn)定MCL1表達，維持癌細胞穩(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。,泛素調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)降解與癌癥,在淋巴瘤和B細胞淋巴瘤中，增加USP9X的表達量可促進MCL1蛋白的表達量。USP9X為廣泛表達的一個基因，其編碼蛋白為泛素水解酶。此外，研究發(fā)現(xiàn)USP9X過量表達的患者往往預后不良，敲除USP9X可增加MCL1

14、的泛素化活性，可有效改變MCL1的表達。這些結(jié)果都表明，USP9X是癌癥患者預后的評價標志，也可能是一個新的癌癥治療靶位。去泛素化可能是癌細胞維持穩(wěn)定的機制。（摘自nature ）,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 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展中的作用 6. 針對腫瘤細胞的蛋白酶體 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),參考文獻,1、化學教育2004

15、 年第 11 期泛素調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)降解 2004 年諾貝爾化學獎簡介 李炎武 譚衛(wèi)兵 鄺雪英 張偉 2 、臨床與實驗病理學雜志 2008 Dec; 24 (6) 去泛素化酶的研究及其進展 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) Sep 21, 2010 2 4、 Ubiquitin-Mediated Proteolysis in Learning and Memory Daniel G. Chain, James H. Schwartz* and Ashok N. Hegde CommentsMolecular Neurobiology Copyright

16、 5、The Ubiquitin-Proteasome System: Death of Proteins is Required for Life of Cells 6、BULL ETIN OF SCIENCE AND TECHNOLOGY第 24 卷 第 1 期 2008 年 1 月泛素2蛋白酶體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、 作用和調(diào)控機制 金偉軍,姚祥春,呂美巧,張禮星 (,參考文獻,7、Progress in modern biomedicine 2008 vol.8 No.9 泛素-蛋白酶體途徑及其生物學作用的研究進展 郭 卉 張雪竹 8、Journal of International Pharm

17、aceutical Research 2009 Oct；36(5) 蛋白酶體抑制劑的研究進展 牟科，付翌秋，徐萍 9、藥學學報 Acta Pharmaceutica Sinica 2009, 44 (12): 13131319 泛素-蛋白酶體及其抑制劑的分類與合成 李 景, 張大永 吳曉明 10、遺 傳 HEREDITAS (Beijing) 28(12): 15911596, 2006 專論與綜述 DOI: 10.1360/yc-006-1591 泛素介導的蛋白質(zhì)降解與腫瘤發(fā)生 李艷鳳, 張 強, 朱大海,參考文獻,11、/wiki/%E6%B3%9B%E7%B4%A0 12、 13、Mark Hochstrasser. (2009) Orig