泛素调节蛋白质降解途径

黑点表示活性区域，蛋白质降解的场所
泛素化和去泛素化
泛素通过E1和E2被激活的过程称为泛素的活化。 泛素的活化过程是一个依赖ATP的酶促反应：
①首先泛素活化酶( ubiquitin activatingenzyme E1 ) 催化泛 素C 末端的甘氨酸( Gly) 形成Ub－腺苷酸中间产物,然后激 活的泛素C末端被转移至E1酶内Cys残基的－SH键上,形成 高能硫酯键; ②含有高能硫酯键的泛素通过转酰基作用使其进一步转移 到泛素载体蛋白( ubiquitin conjugating enzyme, E2)特异的 Cys残基上,形成E2－Ub巯基酯;E2－Ub巯基酯提供泛素分 子,使泛素C端甘氨酸与底物蛋白的Lys残基的氨基形成共价 键,由第一个泛素单体与底物蛋白内部的Lys残基的ε氨基( 或β氨基)结合;
（1）泛素羧端水解酶( ubiquitin C - terminal hydrolases (UCHs) )：分子 量为20～30 KD,水解去除和泛素C末端连接的小肽,也参与泛素多聚体 产生泛素单体的过程,促进泛素再循环,对泛素系统的正常运行是很有 必要的。 （2）泛素特异性加工酶( ubiquitin - spicific prote2ases - UBPs/USPs)： 分子量大约为100 KD,参与去除和解聚底物蛋白质上的多聚泛素键,从 而防止多聚泛素在底物蛋白的聚集。
UPP参与的生物学功能
1、抗原提呈：抗原分子泛素化后被26 s蛋白酶 体降解成多肽,然后由组织相容性复合体(MHC) I类分子提呈到细胞表面,再被细胞毒性T细胞 (CTL)识别。 2、调节细胞周期： UPP调节降解调节蛋白,如细 胞周期因子、信号传导蛋白等,在控制细胞周 , 期尤其是生殖细胞方面起重要作用。细胞周 期因子先被泛素化,然后由26 s蛋白酶体降解, 导致周期因子依赖的激酶失活,从而使细胞有 丝分裂期中止。细胞周期因子- 周期因子依赖 的激酶复合体可由它们特定的抑制因子使其 失活,这些抑制因子也由泛素- 蛋白酶体途径降 解。
蛋白酶体是催化泛素与底物蛋白偶联体降解的关键酶,包括 20 s蛋白酶体和26 s蛋白酶体。26 s是由20 s和19 s复合体共同结 合装配而成,此组装过程需要耗能。20 s蛋白酶体是主要起催化 作用的复合体,它由14个不同的蛋白组装成一个筒状结构,由内层 2个β环和外层2个α环组成, 每个环含有7个亚基,基本结构可书写 成α7β7β7α7。α亚基主要用于底物识别,β亚基主要参与底物降 解。19 s复合体由17或18个亚基组成,在特定条件下又可分成2个 次级复合物,一个叫盖子( lid) ,一个叫底座( base) 。底座由10个亚 基组成,其中6个有ATP酶活性,它们与底物泛素化有关,盖子由8个 没有ATP酶活性的亚基组成,其中一个亚基Rpn11 /Pda / s13在泛 素循环方面起重要作用。
1和3：E1、E2催化的泛素激活反应，消耗ATP；2：E3催化的蛋 白质激活反应，消耗ATP；4：依赖于E3的蛋白质泛素化反应； 5：不依赖于E3的蛋白质泛素化反应；6：26S蛋白体催化蛋白 质水解；7和8：异肽酶催化的水解反应，使泛素游离出来。
去泛素化作用是泛素化过程的逆转。在真核细胞内已发现 多种去泛素化酶,它们能够水解泛素和底物蛋白之间的硫酯键, 还能把错误识别的底物从泛素化复合体中释放出来。它们又可 以分为两类:
意义
了解了泛素为媒介的蛋白质裂解作用和 过程，使得科学家对细胞如何控制及分裂蛋 白质的研究有可能深入到分子层级。而当蛋 白质裂解作用发生异常时，人体就会产生不 适甚至疾病，如子宫颈癌症和囊肿纤维症等， 因此，从分子层面角度去了解泛素调节的蛋 白质降解的化学过程和机理，及对生命过程 进一步的探索，具有十分重要的应用意义。
26S蛋白酶体的结构
细胞内的废弃物处理装置 ——蛋白酶体
一个细胞大约含30000个细胞废弃物处理装置即蛋白 酶复合体——蛋白酶体，这些桶状结构可以几乎将所有蛋 白质分解为7-9个氨基酸长度的缩氨酸，蛋白酶体的活性 表面在桶状结构的内部。蛋白酶体能辨别出与泛素结合的 蛋白质，一旦作为标签的泛素脱离蛋白质，即可利用三磷 酸腺苷提供的能量改变蛋白质的性质使其从一端进入蛋白 酶复合体内发生降解，并最终以缩氨酸的形式从另一端释 放出来。这一过程如此复杂，需要消耗能量。然而蛋白酶 体并不能选择待降解的蛋白质，细胞内主要是通过E3类酶 的特异性选择并利用泛素加以标签，从而选择正确的待降 解蛋白质。
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。
第二阶段: 靶蛋白在26 s蛋白酶体的作用下,由泛素介导的蛋白水解过程。 经泛素活化的底物蛋白被展平后,通过两个狭孔,进入26 s蛋白酶体的催化 中心,蛋白降解在20 s蛋白酶体内部发生。进入26 s蛋白酶体的底物蛋白质 被多次切割,最后形成3～22个氨基酸残基的小肽。 整个流程分为以下六个步骤： 1、E1类酶激活泛素，该过程需要ATP（三磷酸腺苷）提供一定能量； 2、泛素转移至E2类酶； 3、E3类酶具有特异性，可以识别出需破坏的目标蛋白质，与目标蛋白质 接近的E2-泛素复合体将泛素转移至目标蛋白质； 4、E3类酶释放出被泛素标记的蛋白质； 5、被标记的蛋白质分子尾端形成一小段泛素分子链； 6、泛素分子链在蛋白酶体的端口被识别并脱离蛋白质，目标蛋白质进入 蛋白酶复合体的桶状通道最终降解为缩氨酸并由另一端口释放出去。
泛素及其调节蛋白质降解途径
学 ：聂 红
2004年10月16日瑞典皇家科学院将本年度诺贝尔 化学奖授予以色列科学家阿龙·切哈诺沃、阿夫拉姆·赫 什科和美国科学家欧文·罗斯，以表彰他们在泛素调节 的 蛋 白 质 降 解 研 究 领 域 中 的 卓 越 成 就 。
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，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。
③泛素可以直接从E2转移给底物蛋白形成Ub蛋白复合物,这时 的底物多是些碱性蛋白(如组蛋白) ,而在大多数情况下,底物蛋 白先与泛素连接酶( ubiquitin ligating enzyme, E3)特异性结合,E3 可使E2和底物蛋白相互接近,继而蛋白底物与E2酶连接的泛素 结合,这样就完成了底物蛋白质的泛素化。
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肿瘤发病机制中的作用
泛素蛋白酶体通路在肿瘤的发病机制中起 重要作用。肿瘤可以起因于癌基因蛋白生长促 进因子的稳定或由于肿瘤抑癌基因的不稳定。 某些常规通过蛋白酶体降解的癌基因蛋白,如果 不能及时地从细胞中清除,就会诱导细胞恶变。
神经系统疾病发病机制中的作用
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)。
小 结
泛素-蛋白酶体途径是调节细胞内蛋 白水平与功能的重要机制,涉及许多重要 的生理过程和许多疾病及肿瘤的发病机 制。尽管泛素蛋白酶体途径与人类疾病 机制的关系还有待于进一步的研究,但此 途径为人类克服许多难以治疗的疾病提 供了一个新思路。
泛素—蛋白酶体途径( upp ) 一系列相关的酶
泛素活化酶(E1)是催化泛素与底物结合所需的第一个酶。 细胞内仅有单一的泛素活化酶基因。利用不同的转录起始点, 它可产生E1a 和E1b两种泛素活化酶,它们的生物功能可能有所 不同。 泛素偶连酶(E2)是泛素与蛋白底物结合所需的第二个酶。 细胞内有多种泛素偶连酶基因,大多数泛素偶连酶有一个14～ 16 KD的核心,含有活性所必需的半胱氨酸残基。在不同的泛素 偶连酶间有约35%的同源性,这一区域可能参与泛素偶连酶和蛋 白底物的结合。 泛素-蛋白连接酶是泛素与底物蛋白结合所需的第三个酶。 泛素-蛋白连接酶在决定泛素介导的底物降解方面有特殊的作 用。不同类型的泛素-蛋白连接酶间缺乏序列同源性,而且分子 量差异较大。
泛素的结构与组成
泛素含有76个氨基酸残基,广泛存在于真核生物,目前尚 未发现泛素存在于原核生物中，泛素的氨基酸序列极其保 守。泛素基因主要编码两种泛素前体蛋白质:一种是多聚泛 素,另一种是泛素融合蛋白。
泛素—蛋白酶体途径 泛素 蛋白酶体途径( upp )的组成 蛋白酶体途径 的组成
泛素—蛋白酶体途径( upp )由泛素( ubiquitin, ub)以及一 系列相关的酶组成。除泛素以外还包括4 种酶家族:泛素活 化 酶 ( ubiquitin - activating enzyme, E1 ) 、 泛 素 偶 连 酶 ( ubiquitin - conjugating enzymes, E2s)也称泛素载体蛋白 ( ubiquitin -carrier protein) 、泛素-蛋白连接酶( ubiquitin ligating enzymes, E3s)和蛋白酶体(proteasome) 。蛋白的泛素 化和去泛素化都需要多种酶介导, upp既有高度底物多样性 又具有针对不同调控机制的多样性。
泛素—蛋白酶体途径( upp ) 介导的蛋白水解过程
由泛素介导的蛋白水解过程,分为2个阶段。第一阶段: 多个泛素分子与靶蛋白共价结合。首先,泛素经泛素活化 酶E1 活化,泛素上76位的Gly与泛素活化酶上特殊的Cys残 基形成一个高能硫酯键,并伴有ATP水解; 然后,通过转酯作 用,泛素从泛素活化酶转移到泛素结合酶E2 的Cys上,形成泛 素结合酶- 泛素;最后,在泛素连接酶E3 参与下,泛素又从泛 素结合酶转移到受体蛋白(靶蛋白)的Lys残基上,形成泛素靶蛋白,使靶蛋白发生泛素化。多个遍泛素分子重复地附 加到靶蛋白上,则形成分枝的多Ub链。泛素共有7个Lys残基 ,在多聚泛素链结构中,其中一个泛素的C - 末端Gly与相邻的 泛素之间通过Lys48、Lys63或Lys29连接。