泛素—蛋白酶途径降解蛋白质与疾病
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泛素—蛋白酶途径(UPP) 降解蛋白质与疾病
主讲人：
哺乳动物细胞中蛋白质的降解
异常蛋白 短周期蛋白 80-90% 内质网相关 蛋白 长周期蛋白 泛素-蛋白酶体途径
氨基酸 小肽
膜蛋白 10-20% 细胞外蛋白 溶酶体途径
目录
• UPP的构成 • UPP的作用机制 • UPP与疾病 • 问题与展望
泛素调节的蛋白质降解概述
单泛素化
单泛素化是一个由多种酶（ E1 、 E2 、 E3 ）和ATP 参与的级联反应。与磷酸化相 似，泛素化是一个可逆的过程，通过泛素 化酶和去泛素化酶维持平衡。单泛素化不 能降解靶基因，只是起到调节作用。泛素 化过程如下图所示。
图1 泛素化的过程
多聚泛素化
多聚泛素化，即由数个泛素分子形成的泛素链 C端的甘氨酸与单泛素化底物特异性结合。Ub 与 靶蛋白的共价连接，至少需要4 － 5 个Ub 连接到 靶蛋白上，形成多聚泛素链。
泛素连接酶
泛素连接酶（E3）可识别靶蛋白中特异性 模体，并催化泛素与 E2 脱离而与靶蛋白结合， 目前已发现数百种 E3 ，其多样性表明整个系
统中的底物特异性。因为在选择底物的过程
中， E3 起关键作用，它直接或间接通过辅助 蛋白与底物发生联系。
二、UPP的作用机制
UPP 可通过识别、 标记、 进而降解那些被泛素 化的蛋白质发挥作用。整个过程分三个步骤: ( 1) 单泛素化 ( 2) 多聚泛素化 ( 3) 降解靶蛋白
UPP 与脓毒症
脓毒症是严重烧伤、严重创伤及大手术后患者常见 的并发症，进一步发展可导致脓毒性休克和多器官功能障 碍综合症等，是临床危重病患者的主要死亡原因。 研究结果表明，脓毒症时骨骼肌蛋白降解增强有可能 不是由于溶酶体蛋白降解途径和钙依赖性途径被激活所致。 又发现，脓毒症患者骨骼肌的泛素mRNA水平比正常者增 加 7倍多，而且蛋白酶体中的基因表达也增加。上述研究 结果提示，脓毒症时骨骼肌蛋白降解的增强是由于UPP的 上调表达的结果。
蛋白酶体对细胞周期的调控
• P27KIP1具有负反馈调节CDK2／Cyclin E和CDK2／ Cyclin A 复合体的作用，阻止细胞周期从G期进 入S期，从而起到抑制细胞生长的作用。
• P27KIP1的表达受E3家族SCF和后期促进复合物 （APC/C）两种蛋白酶的调控。 • 在一些肿瘤中，SCF的Skp2亚基活性增加，从而使 p27KIP1发生过度泛素化，而被蛋白酶体降解。 • 由于p27KIP1的泛素化降解，下调了细胞内的p27水 平，使细胞增殖异常加快，这可能是导致细胞癌 变的重要原因。
（一）泛素-蛋白酶体途径（UPP） 与癌症发生
1. UPP调控细胞周期与癌症发生 细胞周期包括：
G1期：第一个间期，主要进行细胞体 积的增大,并为DNA合成作准备。不分裂 细胞则停留在G1 期。 S 期：DNA 合成时期，染色体数目在 此期加倍。 G2期：DNA 合成后至细胞分裂开始之
前的第二个间期，为细胞分裂作准备。 M 期：细胞分裂期。 G0期：离开细胞周期不再进行分裂的 时期，也就是休息的时期。
2.1 UPP对p53蛋白的调控
• p53蛋白是细胞内重要的凋亡 调控因子，可通过激活一系列 靶基因实现凋亡调控功能。 MDM2是E3家族成员，促进 p53从核内向细胞质转运，使 之被泛素化后降解，从而发挥 抗凋亡作用。 多种肿瘤细胞中发现UPP活性 上调，p53蛋白降解增加，肿 瘤细胞增殖明显上升。
泛素-蛋白酶体途径 （UbiquitinProteasome Pathway，UPP）
小肽 蛋白质降解
去泛素化 DUBs 26S 蛋白酶体 泛素
泛素结合
泛素活化
目标蛋白
三、UPP与疾病
UPP与许多人类疾病有关。与泛素相关的 疾病可分为2种: 一种是泛素体系酶的突变导致的功能丧失或者 是目标底物蛋白识别基序的改变 ,而导致某种蛋 白的稳定。 另一种是目标蛋白功能不正常或加速降解的结 果。 泛素蛋白酶体途径是细胞内环境稳定的关键调 节因素, 细胞的许多重要蛋白都在此通路的调控 之下。 泛素蛋白酶体通路对细胞内信号转导及细 胞生长调控是一个很重要的调节因素 ,并与许多 生理及病理过程密切相关。
•Leabharlann Baidu
•
2.2 UPP对转录因子NF-κB的 调控
• 细胞转录因子NF-κB可以激活 抗凋亡基因如bcl-2等，发挥 抗凋亡作用 。 正常情况下， NF-κB 活性被 IκB抑制 。 肿瘤细胞中参与IκB 降解的蛋 白酶体活性增加，细胞内NFκB 水平升高，细胞增殖增加。
•
•
（二）神经系统疾病发病机制中的 作用
降解靶蛋白
靶蛋白多聚泛素链形成后必将运送到26S 蛋白酶体， 进而降解，释放游离泛素。 （1）19S 亚基的唇部识别泛素化了的靶蛋白，基座中的 有6 个ATP 酶解开蛋白的二级结构，并使其进入20S 催 化亚基的催化中心。 （2）靶蛋白被水解成含3 － 22 个氨基酸残基的多肽， 而多级泛素链在泛素再循环酶的作用下分解成单个泛素 分子，释放出来被重新利用。如此形成一个完整的泛素 － 蛋白酶体途径的循环。
2. UPP调控细胞凋亡与癌症发生 • 细胞凋亡（apoptosis）是指细胞在一定的生理 或病理条件下，受内在遗传机制的控制自动结 束生命的过程。
• 细胞凋亡是生物界广泛存在的一种基本生命现 象，如同细胞生长、发育、增殖一样，起着十 分重要的作用。
•
UPP通过26S蛋白酶体降解一些与凋亡相关的蛋 白，如转录因子，凋亡前蛋白和抗凋亡蛋白等， 发挥调控细胞凋亡的作用。
近年来发现泛素系统也与神经细胞 变性有关。如引起帕金森病的一个重要 因子是 Parkin,后者是泛素和蛋白的 E3 连 接酶,能与E2 UbcH7 和UbcH8 共同作用, 而 Parkin 自身也是经泛素化调节降解 , 一 旦Parkin变性,影响某些蛋白降解 ,就会引 起多巴胺类神经元的毒性损伤而引起常 染色体隐性少年型帕金森病( autosomal recessive juvenile parkinsomism)。
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，接着这些蛋白质进入细胞的蛋白酶复合体 中，蛋白酶复合体是一个上下有盖的圆桶状酵素， 它们如同细胞的垃圾桶，专门负责蛋白质的分解 及再循环利用，泛素在这一过程中释出讯号，让 蛋白酶复合体分辨出有待降解的蛋白质。
泛素-蛋白酶体途径（UPP）的构成： 主要包括 泛素( ubiquitin, Ub)、 泛素活化酶( ubiquitin-activatingenzyme, E1)、 泛素连接酶( ubiquitin-conjugatingenzyme, E2)、 泛素蛋白连接酶( ubiquitin-protein ligating enzyme,E3)、 26S蛋白酶体 去泛素化酶( deubiquitinating enzyme, DUBs) 等。
UPP 与囊性纤维病
囊性纤维化(CF) 是一种常见的先天性常染色体隐形异 常的多系统紊乱的遗传性疾病，会造成肺部一再感染和肠 道难以吸收营养素。其致病原因之一是囊性纤维化跨膜转 导调节因子(CFTR，一种氯离子通道)基因突变导致CFTR 不能正常到达细胞表面，而在内质网中沉积，并被 UPP 降解。CFTR的减少导致细胞膜对部分离子的通透性降低 进而造成粘液分泌过多，而这些粘液不能自由流出呼吸管， 因而一再造成感染。
五、问题与展望
泛素蛋白有着广泛的生物学功能，泛素的开发 应用价值将逐渐受到重视，从泛素的研究中寻找治
疗肿瘤疾病、心脏疾病、神经疾病等多种疾病的新
途径将是未来医学的趋势之一，泛素在植物基因工 程技术和提高植物抗逆性等方面的探索及应用将为 未来的农业提供新的线索与方向。
参考文献
• 国际病理与临床杂志 《泛素蛋白酶体途 径及意义》 • 光明中医 《泛素蛋白酶体途径在恶性肿 瘤中的研究进展》 • 江西科学 《泛素蛋白酶体途径的生物学 功能》 • 生理科学进展 《泛素-蛋白酶体途径的组 成和功能》
蛋白酶体结构
26S 蛋白酶体包括2个19S调控 蛋白和一个20S核心蛋白
20S 蛋白酶体至少有三种不同的蛋白酶 活性
已知的20S 蛋白酶体蛋白酶 活性至少有三种，催化位点 均位于β亚基上，分别是： 类糜蛋白酶活性（β5），
类胰蛋白酶活性（β2），
肽-谷氨酰肽水解酶活性（β1）
泛素
泛素由 76 个 aa 组成，广泛存在 于真核生物，不同来源的泛素蛋 白具有类似的结构、功能和免疫 学特征，其空间结构如图 1 所示。 其功能位点为 C- 末端 76Gly残基 和 Lys 残基， 76Gly 残基能与 E1 、 E2 、 E3 以共价键相互作用。泛 素是UPP的重要组成部分，激活 后识别、 标记靶蛋白。
泛素活化酶 泛素活化酶（E1）在细胞中 含量丰富，为细胞生存和活性所 需，在进化中很保守 ; 可能是由 两个分子量为 105KD亚基组成的 二聚体 ; 目前，在哺乳动物中发 现一种有活性的泛素活化酶 ; 其 主要功能是激活泛素。
泛素结合酶
目前有 50 种泛素结合酶（ E2 ）被发现， 其中酵母中13 种，哺乳动物中有20 多种，由 此推测E2 的多样性与靶蛋白泛素化特异性有 关; 多数E2为小分子量蛋白，其共性是有14－ 16KD 核心区域，核心区域内含有维持其活性 所需的半胱氨酸残基；其主要功能是把泛素连 接到靶蛋白或E3上。
主讲人：
哺乳动物细胞中蛋白质的降解
异常蛋白 短周期蛋白 80-90% 内质网相关 蛋白 长周期蛋白 泛素-蛋白酶体途径
氨基酸 小肽
膜蛋白 10-20% 细胞外蛋白 溶酶体途径
目录
• UPP的构成 • UPP的作用机制 • UPP与疾病 • 问题与展望
泛素调节的蛋白质降解概述
单泛素化
单泛素化是一个由多种酶（ E1 、 E2 、 E3 ）和ATP 参与的级联反应。与磷酸化相 似，泛素化是一个可逆的过程，通过泛素 化酶和去泛素化酶维持平衡。单泛素化不 能降解靶基因，只是起到调节作用。泛素 化过程如下图所示。
图1 泛素化的过程
多聚泛素化
多聚泛素化，即由数个泛素分子形成的泛素链 C端的甘氨酸与单泛素化底物特异性结合。Ub 与 靶蛋白的共价连接，至少需要4 － 5 个Ub 连接到 靶蛋白上，形成多聚泛素链。
泛素连接酶
泛素连接酶（E3）可识别靶蛋白中特异性 模体，并催化泛素与 E2 脱离而与靶蛋白结合， 目前已发现数百种 E3 ，其多样性表明整个系
统中的底物特异性。因为在选择底物的过程
中， E3 起关键作用，它直接或间接通过辅助 蛋白与底物发生联系。
二、UPP的作用机制
UPP 可通过识别、 标记、 进而降解那些被泛素 化的蛋白质发挥作用。整个过程分三个步骤: ( 1) 单泛素化 ( 2) 多聚泛素化 ( 3) 降解靶蛋白
UPP 与脓毒症
脓毒症是严重烧伤、严重创伤及大手术后患者常见 的并发症，进一步发展可导致脓毒性休克和多器官功能障 碍综合症等，是临床危重病患者的主要死亡原因。 研究结果表明，脓毒症时骨骼肌蛋白降解增强有可能 不是由于溶酶体蛋白降解途径和钙依赖性途径被激活所致。 又发现，脓毒症患者骨骼肌的泛素mRNA水平比正常者增 加 7倍多，而且蛋白酶体中的基因表达也增加。上述研究 结果提示，脓毒症时骨骼肌蛋白降解的增强是由于UPP的 上调表达的结果。
蛋白酶体对细胞周期的调控
• P27KIP1具有负反馈调节CDK2／Cyclin E和CDK2／ Cyclin A 复合体的作用，阻止细胞周期从G期进 入S期，从而起到抑制细胞生长的作用。
• P27KIP1的表达受E3家族SCF和后期促进复合物 （APC/C）两种蛋白酶的调控。 • 在一些肿瘤中，SCF的Skp2亚基活性增加，从而使 p27KIP1发生过度泛素化，而被蛋白酶体降解。 • 由于p27KIP1的泛素化降解，下调了细胞内的p27水 平，使细胞增殖异常加快，这可能是导致细胞癌 变的重要原因。
（一）泛素-蛋白酶体途径（UPP） 与癌症发生
1. UPP调控细胞周期与癌症发生 细胞周期包括：
G1期：第一个间期，主要进行细胞体 积的增大,并为DNA合成作准备。不分裂 细胞则停留在G1 期。 S 期：DNA 合成时期，染色体数目在 此期加倍。 G2期：DNA 合成后至细胞分裂开始之
前的第二个间期，为细胞分裂作准备。 M 期：细胞分裂期。 G0期：离开细胞周期不再进行分裂的 时期，也就是休息的时期。
2.1 UPP对p53蛋白的调控
• p53蛋白是细胞内重要的凋亡 调控因子，可通过激活一系列 靶基因实现凋亡调控功能。 MDM2是E3家族成员，促进 p53从核内向细胞质转运，使 之被泛素化后降解，从而发挥 抗凋亡作用。 多种肿瘤细胞中发现UPP活性 上调，p53蛋白降解增加，肿 瘤细胞增殖明显上升。
泛素-蛋白酶体途径 （UbiquitinProteasome Pathway，UPP）
小肽 蛋白质降解
去泛素化 DUBs 26S 蛋白酶体 泛素
泛素结合
泛素活化
目标蛋白
三、UPP与疾病
UPP与许多人类疾病有关。与泛素相关的 疾病可分为2种: 一种是泛素体系酶的突变导致的功能丧失或者 是目标底物蛋白识别基序的改变 ,而导致某种蛋 白的稳定。 另一种是目标蛋白功能不正常或加速降解的结 果。 泛素蛋白酶体途径是细胞内环境稳定的关键调 节因素, 细胞的许多重要蛋白都在此通路的调控 之下。 泛素蛋白酶体通路对细胞内信号转导及细 胞生长调控是一个很重要的调节因素 ,并与许多 生理及病理过程密切相关。
•Leabharlann Baidu
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2.2 UPP对转录因子NF-κB的 调控
• 细胞转录因子NF-κB可以激活 抗凋亡基因如bcl-2等，发挥 抗凋亡作用 。 正常情况下， NF-κB 活性被 IκB抑制 。 肿瘤细胞中参与IκB 降解的蛋 白酶体活性增加，细胞内NFκB 水平升高，细胞增殖增加。
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（二）神经系统疾病发病机制中的 作用
降解靶蛋白
靶蛋白多聚泛素链形成后必将运送到26S 蛋白酶体， 进而降解，释放游离泛素。 （1）19S 亚基的唇部识别泛素化了的靶蛋白，基座中的 有6 个ATP 酶解开蛋白的二级结构，并使其进入20S 催 化亚基的催化中心。 （2）靶蛋白被水解成含3 － 22 个氨基酸残基的多肽， 而多级泛素链在泛素再循环酶的作用下分解成单个泛素 分子，释放出来被重新利用。如此形成一个完整的泛素 － 蛋白酶体途径的循环。
2. UPP调控细胞凋亡与癌症发生 • 细胞凋亡（apoptosis）是指细胞在一定的生理 或病理条件下，受内在遗传机制的控制自动结 束生命的过程。
• 细胞凋亡是生物界广泛存在的一种基本生命现 象，如同细胞生长、发育、增殖一样，起着十 分重要的作用。
•
UPP通过26S蛋白酶体降解一些与凋亡相关的蛋 白，如转录因子，凋亡前蛋白和抗凋亡蛋白等， 发挥调控细胞凋亡的作用。
近年来发现泛素系统也与神经细胞 变性有关。如引起帕金森病的一个重要 因子是 Parkin,后者是泛素和蛋白的 E3 连 接酶,能与E2 UbcH7 和UbcH8 共同作用, 而 Parkin 自身也是经泛素化调节降解 , 一 旦Parkin变性,影响某些蛋白降解 ,就会引 起多巴胺类神经元的毒性损伤而引起常 染色体隐性少年型帕金森病( autosomal recessive juvenile parkinsomism)。
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，接着这些蛋白质进入细胞的蛋白酶复合体 中，蛋白酶复合体是一个上下有盖的圆桶状酵素， 它们如同细胞的垃圾桶，专门负责蛋白质的分解 及再循环利用，泛素在这一过程中释出讯号，让 蛋白酶复合体分辨出有待降解的蛋白质。
泛素-蛋白酶体途径（UPP）的构成： 主要包括 泛素( ubiquitin, Ub)、 泛素活化酶( ubiquitin-activatingenzyme, E1)、 泛素连接酶( ubiquitin-conjugatingenzyme, E2)、 泛素蛋白连接酶( ubiquitin-protein ligating enzyme,E3)、 26S蛋白酶体 去泛素化酶( deubiquitinating enzyme, DUBs) 等。
UPP 与囊性纤维病
囊性纤维化(CF) 是一种常见的先天性常染色体隐形异 常的多系统紊乱的遗传性疾病，会造成肺部一再感染和肠 道难以吸收营养素。其致病原因之一是囊性纤维化跨膜转 导调节因子(CFTR，一种氯离子通道)基因突变导致CFTR 不能正常到达细胞表面，而在内质网中沉积，并被 UPP 降解。CFTR的减少导致细胞膜对部分离子的通透性降低 进而造成粘液分泌过多，而这些粘液不能自由流出呼吸管， 因而一再造成感染。
五、问题与展望
泛素蛋白有着广泛的生物学功能，泛素的开发 应用价值将逐渐受到重视，从泛素的研究中寻找治
疗肿瘤疾病、心脏疾病、神经疾病等多种疾病的新
途径将是未来医学的趋势之一，泛素在植物基因工 程技术和提高植物抗逆性等方面的探索及应用将为 未来的农业提供新的线索与方向。
参考文献
• 国际病理与临床杂志 《泛素蛋白酶体途 径及意义》 • 光明中医 《泛素蛋白酶体途径在恶性肿 瘤中的研究进展》 • 江西科学 《泛素蛋白酶体途径的生物学 功能》 • 生理科学进展 《泛素-蛋白酶体途径的组 成和功能》
蛋白酶体结构
26S 蛋白酶体包括2个19S调控 蛋白和一个20S核心蛋白
20S 蛋白酶体至少有三种不同的蛋白酶 活性
已知的20S 蛋白酶体蛋白酶 活性至少有三种，催化位点 均位于β亚基上，分别是： 类糜蛋白酶活性（β5），
类胰蛋白酶活性（β2），
肽-谷氨酰肽水解酶活性（β1）
泛素
泛素由 76 个 aa 组成，广泛存在 于真核生物，不同来源的泛素蛋 白具有类似的结构、功能和免疫 学特征，其空间结构如图 1 所示。 其功能位点为 C- 末端 76Gly残基 和 Lys 残基， 76Gly 残基能与 E1 、 E2 、 E3 以共价键相互作用。泛 素是UPP的重要组成部分，激活 后识别、 标记靶蛋白。
泛素活化酶 泛素活化酶（E1）在细胞中 含量丰富，为细胞生存和活性所 需，在进化中很保守 ; 可能是由 两个分子量为 105KD亚基组成的 二聚体 ; 目前，在哺乳动物中发 现一种有活性的泛素活化酶 ; 其 主要功能是激活泛素。
泛素结合酶
目前有 50 种泛素结合酶（ E2 ）被发现， 其中酵母中13 种，哺乳动物中有20 多种，由 此推测E2 的多样性与靶蛋白泛素化特异性有 关; 多数E2为小分子量蛋白，其共性是有14－ 16KD 核心区域，核心区域内含有维持其活性 所需的半胱氨酸残基；其主要功能是把泛素连 接到靶蛋白或E3上。