泛素

泛素-蛋白酶体途径及研究进展

【摘要】

泛素-蛋白酶体途径介导的蛋白降解是机体调节细胞内蛋白水平与功能的一个重要机制。负责执行这个调控过程的组成成分包括泛素及其启动酶系统和蛋白酶体系统。泛素启动酶系统负责活化泛素, 并将其结合到待降解的蛋白上, 形成靶蛋白多聚泛素链, 即泛素化。蛋白酶体系统可以识别已泛素化的蛋白并将其降解。此外, 细胞内还有另一类解离泛素链分子的去泛素化蛋白酶形成反向调节。泛素-蛋白酶体途径涉及许多细胞的生理过程, 其调节异常与多种疾病的发生有关。

【关键词】泛素化 去泛素化 类泛素化 一．泛素及其启动酶系统

泛素-蛋白酶体途径( Ubiquitin-Proteasome pathway )是一个新近受到关注的调节蛋白质降解与功能的重要系统。其主要作用于细胞内一些半衰期短的调节蛋白和一些结构异常、错构或受损伤的蛋白。其过程是以共价键形式联结多个泛素( ubiquitin)分子, 形成靶蛋白多聚泛素链即泛素化后, 再输送到26S 蛋白酶体上被消化降解。这一途径在很多细胞生命过程中起调节作用, 包括细胞周期循环、信号转导、核酸密码翻译、DNA 损伤修复、异常蛋白代谢、抗原递呈及细胞受体功能等, 并与许多疾病的发生发展密切相关。因此对该系统的调节及其意义的研究已成为医学研究的一个热点。

泛素是由76个氨基酸组成的球形热稳定蛋白,其结构在真核细胞

中高度保守。在不同生物体间组成泛素的氨基酸序列差别很小, 如酵母和人的泛素仅有3个氨基酸序列的差别。泛素能以自由的形式存在, 也能和其他蛋白形成复合物。泛素是通过一系列泛素启动酶的作用而与靶蛋白连接的。泛素启动酶包括E1 泛素激活酶、E2 泛素结合酶、E3 泛素连接酶。首先, 在ATP参与下, 游离的泛素被E1激活, 即E1的半胱氨酸残基与泛素的C末端甘氨酸残基形成高能硫酯键。然后, 活化的泛素被转移到E2的活性半胱氨酸残基上, 形成高能硫酯键。接着, E2再将泛素传递给相应的E3。E3可直接或间接地促进泛素转移到靶蛋白上, 使泛素的C末端羧酸酯与靶蛋白赖氨酸氨基形成异肽键, 或转移到已与靶蛋白相连的泛素上形成多聚泛素链。以上即泛素化过程。

在该途径中, E3是通过识别和结合特异的靶蛋白序列或降解决定子(degron: 决定某一蛋白发生降解或部分降解的序列)来特异性地调节靶蛋白的降解代谢。根据识别靶蛋白序列中结构域不同, E3又分为两类: (1)HECT 型E3连接酶, HECT 结构域包含保守的350个氨基酸。该结构域上的半胱氨酸残基与泛素的硫酯键连接形成复合物U b-E3作为过渡, 再将泛素转移到靶蛋白上。(2) RING-finger E3连接酶, 包括c-Cb1, APC和SCF, 在泛素转运过程中都不直接与Ub形成过渡的蛋白复合物, 而且都包含一个RING-finger结构域或一个结构相关的结构域,例如U-box 结构域。RING结构域可以与Ub-E2形成复合体, 随后直接将Ub转移至靶蛋白上。 二．26S蛋白酶体系统

蛋白酶体定位于胞核和胞质内。26S蛋白酶体是由2个环状的19S亚单位和1个20S微粒体状的亚单位组成。19S亚单位由包含6 个AAA-ATP 酶的碱性亚复合体和包含8个非ATP酶的亚复合体组成。它的功能是识别泛素化的靶蛋白并在其进入20S复合体前对其进行去泛素化、打开折叠和移位。20S催化核心有4 个环叠成圆筒状结构, 其中两侧外环由1~ 7亚单位组成, 两个内环由1~ 7亚单位组成, 4个环的中央形成一个狭窄的孔。亚单位促使底物移位进入中央孔隙水解中心, 并使20S复合体和19S调节复合体之间发生构象改变。亚单位N末端苏氨酸残基是蛋白酶体的水解中心, 但是不同的亚单位有不同的蛋白酶活性, 包括胰蛋白酶样、糜蛋白酶样和半胱氨酸蛋白酶样活性,分别能裂解羧基端碱性、疏水性或芳香性和酸性氨基酸残基, 从而消化底物, 释放出短肽碎片。

蛋白酶体被认为是细胞内的再生与回收中心,泛素化的靶蛋白在此被分解为短肽和氨基酸, 而泛素被回收再利用。 2. 1.蛋白质降解的泛素化调节

研究发现, 蛋白质带有某些能被泛素系统识别的信号, 这些信号包括: (1) N-degron: 早在1986年, Varshavsky等进行了一系列试验, 提出了N-末端规则, 即通过蛋白质N-末端的氨基酸来预测它的半衰期, 如蛋白质N-末端是丝氨酸, 半衰期可以长达20 h; 相反, 如果是天冬氨酸, 半衰期只有3min。但N-degron如何启动并标记泛素的机制还不清楚。(2)有些氨基酸序列是降解的信号: PEST序列是其中之一, 在短短8个氨基酸的片段上, 富含脯氨酸、谷氨酸、丝氨酸

和苏氨酸。如转录因子Gcn4p, 有281个氨基酸, PEST 序列位91~106, 此蛋白正常的半衰期大约为5min,如果将PEST 序列移除,半衰期增加到50min。此外,有时信号也可能隐藏在疏水核心中或被掩盖。当一些蛋白以天然状态存在时, 信号被隐藏, 蛋白不被降解。但蛋白结构出现变化如出现部分解链区,信号就会暴露而被泛素系统发现并降解。这就是为何部分折叠、异常和突变蛋白易被降解的原因。目前, 泛素-蛋白酶体途径对蛋白质降解信号的识别和它们被标记的具体机制仍然不清楚。

2. 2.去泛素化酶系统

特异性的去泛素化酶主要有两大类: (1)泛素羧基末端水解酶家族( ubiquit in C-term inal hydro lases, UCH s) , 属于半胱氨酸蛋白酶。UCHs通常是小分子蛋白, 包括UCHL-1, -2,-3等分子。UCH s可以通过裂解C 末端76位甘氨酸将泛素分子从小的多肽底物上释放出来。现已发现UCH s与一些疾病及肿瘤关系密切。如UCHL-1 主要分布在神经组织, 与帕金森病等发病有关; (2)泛素特异性修饰酶家族( ubiquit in-specific processing enzymes, UBPs) 包括U bp-M, UBP41, UBP4, HAUSP, ISOT1等, 这些酶分子都含有2 个短而保守的片段即Cys盒和H is盒, 包括了所有有催化作用的残基,UBPs能将泛素分子从大的蛋白上移除。总之, 两组酶都能催化水解泛素分子C 末端的多肽链连接, 起到去泛素化作用。目前, 利用泛素化或去泛素化来调控细胞内蛋白质的水平, 并影响其功能已成为蛋白质研究的一个重要策略。如已知P53的泛素化降解与许多肿瘤发生相关。1997年

发现UBP成员疱疹病毒相关泛素特异性蛋白酶( herpes

virus-associated Ub-specific protease, HAUSP)与细胞核内分子结合, 与前髓细胞白血病发病相关, 随着研究的深入, Muyang等证实HAU SP能特异性结合P53泛素化链, 使其去泛素化, P53降解减少, 稳定性增强,并抑制肿瘤细胞的生长。 三．蛋白质降解的泛素化调节和去泛素化调节

研究证实, 细胞内80% ~ 90% 的蛋白通过泛素-蛋白酶体途径降解。泛素的靶蛋白包括: 细胞周期调节因子、肿瘤抑制因子、转录激活因子和抑制因子、细胞表面受体以及突变或受损蛋白质, 通过以上 靶蛋白的多聚泛素化并经蛋白酶体降解后, 可以影响或调节多种细胞活动。但随着对泛素-蛋白酶体途径的研究深入, 进一步发现蛋白泛素化调节是一个可逆的过程。细胞内同时还存在一些特异的去泛 素化蛋白酶进行负向调节 3．1．泛素化途径与细胞周期

由依赖于SCF的泛素化途径参与降解的与细胞周期有关的蛋白Cyc lin D是细胞周期中Gl期向S期过渡的重要的调控因子, 它与CDK4 、6结合, 使Rb发生磷酸化而失活, 释放出转录因子EZF,转录因子进入细胞核内, 转录出介导Gl期向期过渡的调控因子。如果Cyclin D l过量表达, 则会导致细胞加速通过Gl期和S期。研究发现Cy-elin Dl 的降解是由于CDC34和SCFskpZ相互作用的结果。在Gl期, Cychn Dl定位于细胞核上;在S 期,Cychn Dl则定位于细胞质上。如果使定位于细胞核上的Cyclin Dl第268位上的氨基酸发生磷酸化, 则会使

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