蛋白质
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蛋白质的修饰、降解与稳定性 研究
主讲人：罗疆
生物体内蛋白质的两种降解过程:
• 一种：溶酶体，不需要能量，无选择性的 降解。主要是降解细胞通过胞吞作用摄取 的外源蛋白质。 • 另一种：需要能量，高效率、指向性很强 的降解过程。比如多数细胞内的蛋白质降 解。这个过程需要泛素调节蛋白质降解， 即泛素—蛋白酶体途径( UPP )介导的蛋白 水解过程
②成熟SUMO的C末端甘 氨酸通过硫脂键与 E1 激活酶的半胱氨酸残 基相连，此激活过程 需要 ATP 的参与。
③SUMO被转移到E2结合酶的 半胱氨酸残基上。到目前为 止仅发现一种 E2结合酶， Ubc9可以直接识别底物，从 而最终将SUMO通过异肽键偶 联到底物蛋白的赖氨酸残基 上。 ④在某些情况下，E3 连接 酶可以增强 Ubc9 转移SUMO 到底物蛋白的效率及特异性， 这可能是由于E3 连接酶能 够活化 Ubc9或拉近 Ubc9 与底物蛋白的距离。E3 连 接酶主要包括三类：PIAS家 族成员、RanBP2 和 Pc2。
重复最后一 步，直至蛋白质 上连接的多个泛 素形成一条短链； 泛素短链在 蛋白酶体开口处 被识别，泛素标 记物被切除，蛋 白质被切割成小 片段。
蛋白质的SUMOylation
SUMO分子
SUMO分子在进化中高度保守，广泛存在于原生 动物、后生动物、植物和真菌中。现已发现4种哺乳 动物的SUMO分子，分别为SUMO一1、SUMO一2、SUMO一 3和SUMO-4。SUMO-2与SUMO-3氨基酸序列非常接近， 常合写成SUMO-2／3。SUMO-1主要修饰生理状态下的 蛋白质分子，SUMO-2／3主要修饰应激蛋白。SUMO-4 是新近发现的第4种SUMO分子。
亮氨酸、苯丙氨酸、天冬酰胺、赖氨酸 精氨酸
~3min ~2min
泛素调节的蛋白质降解概述 • 蛋白质的降解是一个精 细控制的过程，首先有 待降解的蛋白质被一种 多肽（称之为泛素）所 标记（蛋白质的泛素化 ），接着这些泛素化的 蛋白质进入细胞的蛋白 酶复合体的活性位点， 蛋白质被降解成7~9个 氨基酸长度的短肽片段 后，从蛋白酶体的另一 段被释放。
Figure 8-34 Ubiquitin (泛素）
SUMO 化修饰是一个可逆的动态过程，在去SUMO 化 酶的剪切作用下，SUMO分子从底物蛋白上解离下来，重 新进入SUMO化循环。 SUMO化修饰类似于但又不同于泛素化修饰。与泛素 介导的蛋白质降解不同，SUMO阻碍泛素对底物蛋白的共 价修饰，提高了底物蛋白的稳定性。 SUMO化修饰影响蛋白质亚细胞定位，广泛参与细胞 内蛋白质与蛋白质相互作用、DNA结合、信号转导、核 质转运、转录因子激活等重要过程。
研究发现，虽然SUMO分子与泛素分子的氨基 酸序列同源性只有约18％，但是二者的三维结构 却非常相似，均含一个典型的β β α β β α β 折 叠和c端双甘氨酸基序。SUMO分子与泛素分子的表 面电荷分布不同，提示其功能不同。与泛素化类 似，SUMO对底物蛋白的修饰也是一个多步酶促反 应。
① SUMO前体在SUMO特 异性蛋白酶 (SENP)作 用下切除羧基端(C 端) 数个氨基酸，从而露 出双甘氨酸残基, 成 为成熟的SUMO。
与泛素化相似，NEDD8可 以通过其C端第76位的甘 氨酸与底物的赖氨酸共价 结合。NEDD8的前体分子 在其76位的甘氨酸后存在 一个或多个残基需要通过 C端的水解酶去除，这一 反应需要通过UCH-L3催化， 这与泛素是相同的。
成熟的NEDD8分子可以通过其C端的甘氨酸与UBA3半胱氨酸活性位点形 成一个高能量的硫酯键，UBA3是NEDD8活化酶(E1) (APPBP1和UBA3组成的 异源二聚体)的催化亚单位且具有ATP依赖性。而后，活化的NEDD8被转移 到UBC12的半胱氨酸活性位点并形成硫酯键，最后，NEDD8与底物的赖氨酸 残基形成异肽键，底物的去Neddylation是由去Neddylation酶介导的，去 Neddylation后NEDD8分子重新进入循环。
泛素由76个氨基酸残基组成，其中包括7个赖氨酸残基(K), 其C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、K48和K63均能参与形成泛素与泛素间的异肽 键 (Isopeptide bond)。
E1与ATP结合后，催化泛素羧 基末端腺嘌呤化，同时释放无 机焦磷酸（PPi）。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。 E2激活的重要条件是位于UBC 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。 E3催化被E2活化的泛Βιβλιοθήκη BaiduC-端甘 氨酸与底物或下一个泛素的赖 氨酸间形成泛素异肽键 (Isopeptide bond)。
蛋白质的一级结构对蛋白质稳定性的影响
N一末端规则 如末端为Asp、Arg、Leu、Lys、Phe等则在数分钟内 可以被识别和降解；而末端为Ala、Gly、Met、Ser、Val、 Thr则需要lO小时以上。
N端残基 稳定性残基 半衰期
甲硫氨酸、甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸、苏氨酸，缬氨酸
>20h
不稳定性残基 异亮氨酸、谷氨酰胺 酪氨酸，谷氨酸 脯氨酸 ~30min ~10min ~7min
蛋白质的NEDDylation
NEDD8是由81个氨基酸编码的蛋白质，它和 泛素具有59%的一致性和80%的相似性。NEDD8的 结构与泛素是最为接近的，大多数真核生物中 NEDD8高度保守，因此NEDD8在真核细胞中具有十 分重要的功能。NEDD8特异性地与底物蛋白相结 合的修饰过程被称为Neddylation。Neddylation 异常可以导致人类的神经退行性疾病和癌症。
主讲人：罗疆
生物体内蛋白质的两种降解过程:
• 一种：溶酶体，不需要能量，无选择性的 降解。主要是降解细胞通过胞吞作用摄取 的外源蛋白质。 • 另一种：需要能量，高效率、指向性很强 的降解过程。比如多数细胞内的蛋白质降 解。这个过程需要泛素调节蛋白质降解， 即泛素—蛋白酶体途径( UPP )介导的蛋白 水解过程
②成熟SUMO的C末端甘 氨酸通过硫脂键与 E1 激活酶的半胱氨酸残 基相连，此激活过程 需要 ATP 的参与。
③SUMO被转移到E2结合酶的 半胱氨酸残基上。到目前为 止仅发现一种 E2结合酶， Ubc9可以直接识别底物，从 而最终将SUMO通过异肽键偶 联到底物蛋白的赖氨酸残基 上。 ④在某些情况下，E3 连接 酶可以增强 Ubc9 转移SUMO 到底物蛋白的效率及特异性， 这可能是由于E3 连接酶能 够活化 Ubc9或拉近 Ubc9 与底物蛋白的距离。E3 连 接酶主要包括三类：PIAS家 族成员、RanBP2 和 Pc2。
重复最后一 步，直至蛋白质 上连接的多个泛 素形成一条短链； 泛素短链在 蛋白酶体开口处 被识别，泛素标 记物被切除，蛋 白质被切割成小 片段。
蛋白质的SUMOylation
SUMO分子
SUMO分子在进化中高度保守，广泛存在于原生 动物、后生动物、植物和真菌中。现已发现4种哺乳 动物的SUMO分子，分别为SUMO一1、SUMO一2、SUMO一 3和SUMO-4。SUMO-2与SUMO-3氨基酸序列非常接近， 常合写成SUMO-2／3。SUMO-1主要修饰生理状态下的 蛋白质分子，SUMO-2／3主要修饰应激蛋白。SUMO-4 是新近发现的第4种SUMO分子。
亮氨酸、苯丙氨酸、天冬酰胺、赖氨酸 精氨酸
~3min ~2min
泛素调节的蛋白质降解概述 • 蛋白质的降解是一个精 细控制的过程，首先有 待降解的蛋白质被一种 多肽（称之为泛素）所 标记（蛋白质的泛素化 ），接着这些泛素化的 蛋白质进入细胞的蛋白 酶复合体的活性位点， 蛋白质被降解成7~9个 氨基酸长度的短肽片段 后，从蛋白酶体的另一 段被释放。
Figure 8-34 Ubiquitin (泛素）
SUMO 化修饰是一个可逆的动态过程，在去SUMO 化 酶的剪切作用下，SUMO分子从底物蛋白上解离下来，重 新进入SUMO化循环。 SUMO化修饰类似于但又不同于泛素化修饰。与泛素 介导的蛋白质降解不同，SUMO阻碍泛素对底物蛋白的共 价修饰，提高了底物蛋白的稳定性。 SUMO化修饰影响蛋白质亚细胞定位，广泛参与细胞 内蛋白质与蛋白质相互作用、DNA结合、信号转导、核 质转运、转录因子激活等重要过程。
研究发现，虽然SUMO分子与泛素分子的氨基 酸序列同源性只有约18％，但是二者的三维结构 却非常相似，均含一个典型的β β α β β α β 折 叠和c端双甘氨酸基序。SUMO分子与泛素分子的表 面电荷分布不同，提示其功能不同。与泛素化类 似，SUMO对底物蛋白的修饰也是一个多步酶促反 应。
① SUMO前体在SUMO特 异性蛋白酶 (SENP)作 用下切除羧基端(C 端) 数个氨基酸，从而露 出双甘氨酸残基, 成 为成熟的SUMO。
与泛素化相似，NEDD8可 以通过其C端第76位的甘 氨酸与底物的赖氨酸共价 结合。NEDD8的前体分子 在其76位的甘氨酸后存在 一个或多个残基需要通过 C端的水解酶去除，这一 反应需要通过UCH-L3催化， 这与泛素是相同的。
成熟的NEDD8分子可以通过其C端的甘氨酸与UBA3半胱氨酸活性位点形 成一个高能量的硫酯键，UBA3是NEDD8活化酶(E1) (APPBP1和UBA3组成的 异源二聚体)的催化亚单位且具有ATP依赖性。而后，活化的NEDD8被转移 到UBC12的半胱氨酸活性位点并形成硫酯键，最后，NEDD8与底物的赖氨酸 残基形成异肽键，底物的去Neddylation是由去Neddylation酶介导的，去 Neddylation后NEDD8分子重新进入循环。
泛素由76个氨基酸残基组成，其中包括7个赖氨酸残基(K), 其C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、K48和K63均能参与形成泛素与泛素间的异肽 键 (Isopeptide bond)。
E1与ATP结合后，催化泛素羧 基末端腺嘌呤化，同时释放无 机焦磷酸（PPi）。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。 E2激活的重要条件是位于UBC 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。 E3催化被E2活化的泛Βιβλιοθήκη BaiduC-端甘 氨酸与底物或下一个泛素的赖 氨酸间形成泛素异肽键 (Isopeptide bond)。
蛋白质的一级结构对蛋白质稳定性的影响
N一末端规则 如末端为Asp、Arg、Leu、Lys、Phe等则在数分钟内 可以被识别和降解；而末端为Ala、Gly、Met、Ser、Val、 Thr则需要lO小时以上。
N端残基 稳定性残基 半衰期
甲硫氨酸、甘氨酸、丙氨酸、丝氨酸、苏氨酸，缬氨酸
>20h
不稳定性残基 异亮氨酸、谷氨酰胺 酪氨酸，谷氨酸 脯氨酸 ~30min ~10min ~7min
蛋白质的NEDDylation
NEDD8是由81个氨基酸编码的蛋白质，它和 泛素具有59%的一致性和80%的相似性。NEDD8的 结构与泛素是最为接近的，大多数真核生物中 NEDD8高度保守，因此NEDD8在真核细胞中具有十 分重要的功能。NEDD8特异性地与底物蛋白相结 合的修饰过程被称为Neddylation。Neddylation 异常可以导致人类的神经退行性疾病和癌症。