泛素化对蛋白质的调节 PPT

早在 20 世纪 70 年代就证实动物细胞内蛋白质的 降解是具有高度选择性的。有一些模型提出来解释这种 选择性降解蛋白的现象, 例如, 有人提出所有的蛋白都 能迅速地进入溶酶体, 但是只有那些短暂的蛋白被降解, 而长寿命的蛋白质则从溶酶体中逃出重新回到细胞质。 后期实验也证实溶酶体降解蛋白特异性很低, 并且溶酶 体降解所有的蛋白速率都一样。此外, 用特定的抑制剂 抑制溶酶体的功能对细胞内蛋白质降解的影响很小。这 明显说明了溶酶体并不是特异性降解细胞内蛋白的细胞 器。最终, 发现细胞内特异降解蛋白的系统-泛素蛋白 酶体系统。
19S 调节颗粒能够结合到20S 蛋白酶体的外环上,形成 26S蛋白 酶体, 它们主要负责降解泛素化的 蛋白质。细胞内大多数的蛋白质是 由 26S 蛋白酶体降解的。11S 调 节颗粒又被称为 PA28 或 REG, 它 也能够结合到 26S 蛋白酶体并以 一种不需要 ATP 和泛素化的方式 起始短肽而不是完整的蛋白质的降 解。如图：
近几年发现了第 8 种类型的泛素链连 接方式即线性泛素化修饰，其泛素链的连接 方式是由泛素甲硫氨酸Met1的氨基基团与另 一泛素甘氨酸的羧基相连形成泛素链标记。 目前研究表明线性泛素化修饰在先天性免疫 和抑制炎症反应等多种过程中发挥着非常重 要的作用，成为现阶段的研究热点。
单泛素修饰影响细胞的膜运输、内吞和 病毒出芽等过程；由48位赖氨酸（K48）形 成的泛素链发生的修饰，主要介导蛋白质的 蛋白酶体降解；由63位赖氨酸（K63）形成 的泛素链发生的修饰，与内吞作用、炎症响 应、蛋白质翻译和DNA修复相关。而其他形 式的泛素链与细胞周期、溶酶体降解、激酶 识别等一系列过程相关。
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泛素-蛋白酶体系统介导了真核生物体 内80%~85%的蛋白质降解, 该蛋白质降解途 径具有依赖 ATP、高效、高度选择性的特点。 细胞内蛋白的降解主要具有两个方面的作用, 一方面是通过降解错误折叠、突变或者损伤 的蛋白来维持细胞的质量控制, 另一方面是 通过降解关键的调节蛋白来控制细胞的基本 生命活动, 例如生长、代谢、细胞凋亡、细 胞周期和转录调节等。
靶蛋白在泛素激活酶 E1、泛素结合 酶 E2 和蛋白泛素连接酶 E3 的作用下 共价连接上几个泛素分子, 然后被 26S 蛋白酶体所降解。蛋白质的降解是在 20S 核心颗粒中的 β 亚基进行的, 一 般不生成部分降解的产物, 而是将底物 蛋白完全降解为长度一定的肽段。26S 蛋白酶体只识别泛素化的蛋白并将其降 解为小肽, 泛素在去泛素连接酶作用下 回收再利用。如图：
蛋白质的加工： 虽然蛋白酶体降解成非常短的片段, 但是在 有些情况下, 降解产物也是具有生物学活性 的。一些转录因子复合物中的成分, 合成后 以无活性的前体分子存在, 在经过泛素化和 蛋白酶降解后, 才转变为活性分子。例如, NF-kappa B、Spt23p 和 Mga2p 等。
细胞周期的调控：
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靶蛋白的泛素化降解涉及以下 3 个连续的 过程：(1)泛素的活化,这个过程需要以 ATP 作为能量, 泛素 C 端的羧基连接到泛素活 化酶 E1 的巯基, 最终形成一个泛素和泛素 活化酶 E1 之间的硫酯键; (2)泛素活化酶 E1 将活化后的泛素通过交酯化过程传递给 泛素结合酶 E2; (3)泛素连接酶 E3 将结合 E2 的泛素连接到靶蛋白上。
泛素化修饰可分为多聚泛素化修饰和单泛素化修 饰。目前报道的多聚泛素化修饰主要有8种不同类型 的连接方式,其中7种涉及泛素链内部赖氨酸 K 与泛 素分子 C末端的甘氨酸G相连接方式，包括K6、K11、 K27、K29、K33、K48和K63位的多聚泛素化修饰。研 究比较多的是K48位和K63位多聚泛素化修饰，其中 K48位的多聚泛素化修饰主要起到降解的作用和调控 蛋白的稳定性，K63位的多聚泛素化修饰主要起到信 号转导、DNA修复的功能和调控蛋白的活性。
这些小肽随后被细胞质中的蛋白酶降 解为氨基酸。在哺乳动物细胞内,UPS系统是 一个层次非常鲜明体系：细胞内只表达一种 泛素激活酶E1把泛素转移到大约50种泛素结 合酶 E2上, 每种E2都可以与许多E3泛素连 接酶相互作用,而E3泛素连接酶在细胞内大 约有 1 000个,它们负责特异性地结合底物 使其发生泛素化从而能被蛋白酶体降解。
细胞周期的进程是由一系列细胞周期蛋白依赖性激酶(CDK)来 进行调控的, 而 CDK 的激活需要细胞周期蛋白(Cyclin)的结 合。在细胞有丝分裂过程中,细胞周期蛋白的寿命很短, 大约 只有几分钟。在Cyclin-CDK 复合物执行完功能后, 复合物中 的Cyclin 则会很快速地被泛素-蛋白酶体系统降解, 从而保证 细胞周期的正常运转。此外, 在细胞退出有丝分裂的过程中, Cyclin B需要从有丝分裂促进因子上解离下来, 而这一过程也 依赖于蛋白酶体。例如,Cyclin A 的降解是由一种 E3 泛素连 接酶-后期促进因子(APC)来进行的, APC 的各组分在细胞分裂 间期中表达, 但是它只有在M期才具有E3连接酶活性, 从而降 解 M 期周期蛋白, 细胞则有中期向后期转化。
泛素化对蛋白质的调节
泛素化修饰主要作用： 1.参与蛋白质降解 2.直接影响蛋白质的活性和定位
蛋白质降解： 泛素化修饰最早被发现的功能是标记靶蛋白, 使 之被蛋白酶体识别并降解, 整个过程涉及泛素分 子、底物蛋白和多种酶系统。 1.泛素-蛋白酶体系统（UPS）：泛素激活酶 （E1）、泛素结合酶（E2）、泛素连接酶（E3）、 去泛素化酶、蛋白酶体，它们共同构成了泛素-蛋 白酶体系统（UPS）。
在细胞内, UPS 能够快速地降解那些不正常的蛋 白质和一些短暂的控制一系列基本细胞生命活动 的调节蛋白。UPS 降解蛋白质是一个复杂的和受 到严密调控的, 并且是高度特异性的降解细胞内 许多蛋白质的过程。细胞是如何选择并以高度特 异的方式来降解蛋白质的呢？它是通过给需要降 解的蛋白质加上许多小的标签—泛素来标记需被 降解的蛋白随后这些蛋白被泛素蛋白酶体降解。
蛋白酶体存在于细胞核和细胞质, 它是由 10~20 个亚基组成的蛋白复合物。细胞内普遍存 在的蛋白酶体是 26S 蛋白酶体, 由一个核心的 20S 蛋白酶体和两个具调节作用的 19S 蛋白酶体 组成。20S蛋白酶体为中空结构, 是一个大的具有 催化活性的蛋白酶, 由 2 个外环(7 个 a 亚基) 和 2 个内环(7 个 β亚基)组成。在细胞内, 20S 蛋白酶体具有潜在的催化能力, 需要激活才具有 蛋白酶活性, 至少有 2 类蛋白酶体激活剂被发现 在能够结合核心的20S 蛋白酶体并增强它的催化 活性。