泛素化蛋白修饰

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参考书
《泛素介导的蛋白质降解》 泛素介导的蛋白质降解》 Ubiquitin-Mediated Proteolysis 主编： 主编：邱小波 王琛 王琳芳
陈竺和诺贝尔奖得主 Aaron Ciechanover 作序
中国协和医科大学出版社， 中国协和医科大学出版社， 2008年 年
蛋白质泛素化研究简史
Monoubiquitylation
调节蛋白质内吞， 调节蛋白质内吞，修饰和转录
Multiple monoubiquitylation 12
E3的种类 的种类
a. RING finger domain（SCF复合体，APC， MDM2， 复合体， （ 复合体 ， ， Parkin, 和c-Cb1） ） b. U-box domain（CHIP) （ c. HECT domain（能与底物形成硫酯键 （能与底物形成硫酯键) d. N-End Rule
泛素－ 泛素－蛋白酶体通路
Ub E1 Ub-E2 底物
ATP -E1 Ub
E3
AMP+PPi
E2
蛋白酶体
Ub: 泛素 (Ubiquitin)，一高度保守的，由76个氨基酸组成的多肽。 个氨基酸组成的多肽。 ，一高度保守的， 个氨基酸组成的多肽 E1: 泛素激活酶 (Ubiquitin-activating enzyme)，人类仅有 种E1。 ，人类仅有2种 。 E2: 泛素载体蛋白 (Ubiquitin-carrier protein)， 人类约有 30 种E2s。 ， 。 E3: 泛素－蛋白连接酶 (Ubiquitin-protein ligase)， 人类有 泛素－ 多种E3s 。 ， 人类有500多种 多种
年份 4
本专题内容
1. 泛素－蛋白酶体通路的组成及重要性 泛素－ 2. 泛素化与泛素化酶 3. 去泛素化酶 4. 泛素化异常与人类重大疾病的发生 5. 蛋白酶体构成 6. 蛋白酶体抑制剂与药物 7. 调节蛋白酶体活性的新机制 8. 类泛素蛋白（SUMO, NEDD8, ISG15, 类泛素蛋白（ APG8, APG12， PUP等） ， 等
泛素-C-末端水解酶 泛素 末端水解酶 ，通常参与蛋白降解后泛素分子的再 利用及对多聚泛素链的修饰， 利用及对多聚泛素链的修饰，也参与由泛素前体产生泛素 单体的过程（ UCH37、UCH-L1)。 单体的过程（如UCH37、UCH-L1)。 参与去除蛋白质上的多聚泛素链， 泛素特异性蛋白酶 ，参与去除蛋白质上的多聚泛素链，也 可从短泛素链的末端去掉单个泛素（ USP8)。 可从短泛素链的末端去掉单个泛素（如USP8)。
帕金森氏症中的去泛素化
UCH-L1为一去泛素化酶，它在帕金森氏症病人中的突变 为一去泛素化酶，它在帕金森氏症病人中的突变 为一去泛素化酶 帕金森氏症 可能导致其酶活性的丧失， 可能导致其酶活性的丧失，减少了泛素自由单体的供应及 底物蛋白的降解，进而导致黑质病变。 底物蛋白的降解，进而导致黑质病变。
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泛素化失调与肿瘤
—————————————————————————————————————————
失调蛋白
底物
修饰
肿瘤类别
———————————————————————————————————————— SKP2 ↑ p27 (KIP) Polyubiquitylation Malignant melanoma MDM2 ↑ p53 Polyubiquitylation Non-small-cell lung cancer, soft-tissue carcinoma, colorectal cancer HAUSP↓ ↓ p53, MDM2 De-ubiquitylation Non-small-cell lung cancer lymphoma APC ↓ Cyclin B, Polyubiquitylation Colorectal cancer securin FANCL ↓ FANCD2 Monoubiquitylation Fanconi anaemia-related cancers CYLD ↓ IKKγ De-ubiquitylation Cylindromatosis IAP2 ↓ BCL10 Polyubiquitylation MALT lymphomas CBL ↓ RTKs HIF Multiple monoubiquitylation Polyubiquitination Lymphoma, AML and gastric carcinoma von Hippel-Lindau disease
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泛素连接酶Parkin的失活与帕金森氏症（AR-JP) 的失活与帕金森氏症（ 泛素连接酶 的失活与帕金森氏症
Current Opinion in Neurobiology 2004, 14:384–389 18
Parkin Substrates
Current Opinion in Neurobiology 2004, 14:384–389 19
1975年，Goldstein误将泛素（Ubiquitin)当作胸腺激素而发现。 年 误将泛素（ 当作胸腺激素而发现。 误将泛素 当作胸腺激素而发现 1977年，Goldknopf和Busch认定组蛋白 与泛素以异肽键（Isopeptide 认定组蛋白2A与泛素以异肽键 年 和 认定组蛋白 与泛素以异肽键（ Bond）结合。 ）结合。 1977年，Goldberg证明人类细胞中存在一可溶的，直接依赖于能量的非溶 证明人类细胞中存在一可溶的， 年 证明人类细胞中存在一可溶的 酶体类蛋白酶 。 1978年，Ciechanover 和 Hershko发现了 发现了APF-1是Goldberg系统中蛋白酶 年 发现了 是 系统中蛋白酶 系的必要成分，结果发表在BBRC。 系的必要成分，结果发表在 。 1980年，Ciechanover，Hershko和Rose等人证明了 等人证明了APF-1与当时已被发 年 ， 和 等人证明了 与当时已被发 现的泛素是同一物质 。 1984年，Finley和Varshavsky等发现泛素在细胞周期中的重要性。 等发现泛素在细胞周期中的重要性。 年 和 等发现泛素在细胞周期中的重要性 1987年，Goldberg和Rechsteiner两个小组几乎同时分离出分子量很大的 年 和 两个小组几乎同时分离出分子量很大的 依赖于ATP并降解泛素化底物的蛋白水解酶。 并降解泛素化底物的蛋白水解酶。 依赖于 并降解泛素化底物的蛋白水解酶 1988年，Goldberg将这种蛋白水解酶命名为 将这种蛋白水解酶命名为Proteasome（蛋白酶体）。 年 将这种蛋白水解酶命名为 （蛋白酶体）。 1997年，Yeh 等小组发现类泛素蛋白 等小组发现类泛素蛋白SUMO和NEDD8的功能。 的功能。 年 和 的功能 2003年，美国 批准了用Velcade来治疗多发性骨髓瘤； Velcade 是 来治疗多发性骨髓瘤； 年 美国FDA批准了用 批准了用 来治疗多发性骨髓瘤 发明的蛋白酶体抑制剂MG132的基础上研发而成的。 的基础上研发而成的。 在Goldberg发明的蛋白酶体抑制剂 发明的蛋白酶体抑制剂 的基础上研发而成的 2004年，Ciechanover，Hershko和Rose因发现泛素介导的蛋白质降解共 年 ， 和 因发现泛素介导的蛋白质降解共 同获得诺贝尔化学奖。 同获得诺贝尔化学奖。 2008年，Darwin等在细菌中发现类泛素化修饰。 等在细菌中发现类泛素化修饰。 年 等在细菌中发现类泛素化修饰 7
去泛素化酶属半胱氨酸蛋白酶，目前已发现90多种。 去泛素化酶属半胱氨酸蛋白酶，目前已发现90多种。 90多种
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泛素化途径的异常与人类重大疾病
• 神经退行性疾病（如帕金森氏症）： 神经退行性疾病（ 帕金森氏症）： Parkin, UCH-L1 • 癌症 癌症: BRCA1, CYLD, Mdm2, Nrdp1, pVHL • 传染病病原体的入侵、致病机制 传染病病原体的入侵、致病机制: E6-AP
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泛素化模式（ 泛素化模式（Ubiquitination Modes） ）
靶蛋白必须经多聚泛素(多于 个泛 靶蛋白必须经多聚泛素 多于4个泛 多于 素分子)修饰才能被蛋白酶体识别 素分子 修饰才能被蛋白酶体识别 与降解。 与降解。
K48 polyubiquitylation
K63 polyubiquitylation 调节蛋白质的活性和定位
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E3泛素连接酶以单体和复合体两种形式存在 泛素连接酶以单体和复合体两种形式存在
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去泛素化作用 （Deubiquitination） ）
Amerik and Hochstrasser, 2004
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去泛素化酶 (Deubiquitinating enzyme)
去泛素化酶可分为两类： 去泛素化酶可分为两类：
泛素化蛋白修饰
Protein Modification by Ubiquitination
北京协和医学院研究生课程： 北京协和医学院研究生课程：细胞信息与调控
2010年10月13日 年 月 日
The Central Dogma （Revised)
DNA
RNA
Protein
Breakdown Modification & Degradation
欧文.罗斯 欧文 罗斯
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近年与泛素－蛋白酶体相关的 近年与泛素－蛋白酶体相关的PubMed论 论 文数在持续增长
篇数
5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 2004 2005 2006 2007 2008 2009
Ub/Proteasome Cyclin Histone miRNA
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泛素化(ubiquitination)即蛋白质被泛素 即蛋白质被泛素 泛素化 (ubiquitin，由76个氨基酸组成的多肽）共价 个氨基酸组成的多肽） ， 个氨基酸组成的多肽 修饰的过程， 修饰的过程，在几乎所有的真核细胞活动中起 着关键作用。 蛋白酶体(proteasome)通 着关键作用。泛素 –蛋白酶体 蛋白酶体 通 路则是真核细胞内最主要的蛋白质降解途径。 降解途径 路则是真核细胞内最主要的蛋白质降解途径。 泛素化调控的细胞活动至少包括: 泛素化调控的细胞活动至少包括 细胞周期（ 细胞周期（Cell cycle progression） ） 细胞凋亡（ 细胞凋亡（Apoptosis） ） 转录调控（ 转录调控（Transcriptional regulation） ） DNA修复（DNA repair） 修复（ 修复 ） 免疫应答（ 免疫应答（Immune response） ） 蛋白质降解及质量控制（ 蛋白质降解及质量控制（Protein degradation and quality control )
E1与ATP结合后，催化泛素羧基末端 与 结合后， 结合后 腺嘌呤化，同时释放无机焦磷酸（ 腺嘌呤化，同时释放无机焦磷酸（ PPi）。 活化位点的半胱氨酸硫醇 ）。E1活化位点的半胱氨酸硫醇 ）。 激活泛素腺嘌呤核苷酸中间产物上的 羧基，形成一个泛素硫酯键 泛素硫酯键。 羧基，形成一个泛素硫酯键。 E2激活的重要条件是位于 激活的重要条件是位于UBC结构 激活的重要条件是位于 结构 域的一个保守半胱氨酸催化位点与泛 素羧基端形成一个硫酯键 硫酯键。 素羧基端形成一个硫酯键。 E3催化被百度文库2活化的泛素 端甘氨酸 催化被 活化的泛素 活化的泛素C-端甘氨酸 催化 与底物或下一个泛素的赖氨酸间形成 泛素异肽键 泛素异肽键 (Isopeptide bond)。 。
Figure 8-34 Ubiquitin (泛素） 泛素） 泛素
泛素由76个氨基酸残基组成，其中包括 个赖氨酸残基 个赖氨酸残基(K), 其C末端可与 泛素由 个氨基酸残基组成，其中包括7个赖氨酸残基 个氨基酸残基组成 末端可与 底物的赖氨酸残基形成异肽键，从而引起底物泛素化。泛素的K11、K29 底物的赖氨酸残基形成异肽键，从而引起底物泛素化。泛素的 、 、K48和K63均能参与形成泛素与泛素间的异肽键 (Isopeptide bond)。 和 均能参与形成泛素与泛素间的异肽键 。 10
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The Nobel Prize in Chemistry 2004 for the discovery of ubiquitin-mediated proteolysis
Aaron Ciechanover
阿龙.西查诺瓦 阿龙 西查诺瓦
Avram Hershko
阿夫拉姆.赫希科 阿夫拉姆 赫希科
Irwin Rose