蛋白质的泛素化降解总结

仅作参考，如有抄袭，依法追究目录：
1.研究背景
2.泛素化降解途径
2.1泛素的基本结构
2.2泛素化的过程
2.3 E3酶对蛋白底物的识别
2.4 蛋白底物在26S蛋白酶体中的降解
3.研究的意义以及应用
4.研究展望
真核生物细胞中的蛋白质泛素化降解
摘要：
蛋白质是执行生命活动的基本分子,细胞中的蛋白质不断地处于合成、修饰与降解的代谢更新过程中。

保持细胞正常的蛋白质代谢对于生命的正常功能至关重要。

目前所知蛋白质的降解主要通过两种途径:溶酶体降解途径和泛素介导的蛋白酶体降解途径。

溶酶体降解途径是一个非选择的蛋白质降解途径,主要降解通过摄粒作用或胞饮作用进入细胞内的外源蛋白质;而泛素介导的途径是一个受到严格的时空调控的特异性蛋白质降解途径。

泛素系统广泛存在于真核生物中，是精细的特异性的蛋白质降解体系。

泛素是一种序列保守的小分子蛋白质，蛋白质与泛素结合后，被蛋白酶体通过消耗ATP的方式降解。

泛素系统由泛素、26S 蛋白酶体、多种酶（E1、E2、E3去泛素酶等）组成。

其中E1和E2被称为泛素活化酶和泛素载体酶。

泛素连接酶E3负责连接泛素与特异性底物，这样泛素化底物可以被26S蛋白酶体降解为若干肽段。

泛素系统在真核生物中有非常重要的作用，通过降解蛋白质，调节细胞的分化、免疫，参与转录、分泌调控和细胞形成等，与人类的某些疾病有关。

本文就泛素系统的组成、调控机制和研究进展做一介绍。

关键字：泛素系统；E3；26S蛋白酶体
正文：
1.研究背景
蛋白质在细胞内的降解是一个复杂的过程，但是又是一个高度有序的过程。

真核生物中蛋白质的降解绝大多数都是由泛素系统完成。

蛋白质首先是由泛素分子所特异性识别结合，在泛素分子的介导下，由泛素活化酶E1、泛素载体蛋白E2以及泛素连接酶E3特异性作用，与26S蛋白酶体作用，被切割成多肽。

多聚泛素链可以还原成单体，循环使用。

泛素与细胞的多种生命活动有关，例如细胞生长发育过程中组织抑制因子的选择性降解；细胞周期中，周期蛋白选择性降解等。

许多疾病和泛素化的过程有关，利用泛素系统治疗疾病也成为了热点。

2.泛素蛋白酶系统
2.1泛素的基本结构
泛素是一种热稳定性蛋白，含有76个氨基酸，相对分子质量8.6kDa。

结构保守，如图一是人和酵母细胞中泛素分子序列比对，我们可以看到，只有三个氨基酸的差别。

图一人和酵母的泛素分子序列比对
如图二，泛素分子是一个球形结构，包括4个β片层和1个α螺旋。

共形成三个转角。

图二泛素分子的结构
由于泛素基因有两种不同的存在形式，所以泛素的合成有两种不同的途径：一种是泛素基因结合到核糖体蛋白基因上，编码融合蛋白，融合蛋白合成后，由泛素C末端水解酶切掉融合蛋白；另一种是重复基因编码出线性泛素分子链，形成多聚泛素分子。

多个泛素单元可与底物蛋白结合成泛素多聚连，各个单体之间链接主要是48位的赖氨酸（Lys48）。

2.2泛素化的过程
图三Ubiquitin-proteasome system (UPS)
泛素的活化过程：泛素通过E1和E2被激活的过程。

如图三和图四，泛素活化酶（E1）催化泛素C端的甘氨酸（Gly）形成泛素-腺苷酸中间产物，然后激活的泛素C末端被转移到E1酶内的Cys残基的-SH键上，形成高能硫酯键；含有高能硫酯键的泛素通过转酰基的作用使其进一步转移到泛素载体蛋白E2特异的Cys残基上，形成E2-泛素巯基键；E2-泛素巯基键提供泛素分子，使泛素C端甘氨酸与底物蛋白的Lys残基形成共价键，由第一个泛素单体与底物蛋白内部的Lys残基上的氨基结合；泛素可直接从E2转移给底物蛋白形成泛素蛋白复合体，这些蛋白一般都是碱性蛋白（如组蛋白），而大多数情况下，底物蛋白首先与泛素连接酶E3特异性结合，E3可使E2和底物蛋白相接近，继而蛋白底物与E2链接的泛素相结合，完成底物蛋白的泛素化。

这一步依赖于E3与底物蛋白的特异性结合。

图四泛素的激活过程以及蛋白质的泛素化
2.3 E3酶对蛋白底物的识别
蛋白质在降解之前需要泛素化，在这个过程E3起着关键作用。

在E3蛋白家族中，有不同的几个亚型：N末端规则家族、HECT家族、Ring finger家族、U-box 家族这几大类。

①N末端规则家族中典型的代表是E3α，相对分子质量为200kDa,它能够结
合到蛋白质特异性残基上；它也能够识别E2，便于活化的泛素转移到底物蛋白。

②HECT家族是在研究病毒HPV时发现的。

它的原始型E6-AP能够和HPV编码的E6蛋白相结合，进而与肿瘤抑制蛋白P53相结合，导致P53的泛素化和降解。

E6-AP结合到E6上，参与tTERT启动子的反式激活。

HECT型E3的N端含有转移泛素的胱氨酸残基。

通过蛋白质-蛋白质相互作用motif，转移底物到泛素上。

对HECT型E3的研究发现，有些E3能够作用于多种不同的底物蛋白，说明E3可通过其他辅助因子的作用取得底物特异性。

③Ring finger家族结构含有8个半胱氨酸和组氨酸的保守结构：Cys-X2-Cys-X(9~39)-Cys-X(1~3)-His-X(2,3)-Cys-X2-Cys-X(4~48)-Cys-X2-Cys(X代表任意一种残基)这一序列结合两个锌离子可以形成环指结构，常见的环指类E3有SCF复合体、VHL-CBC复合体和APC复合体。

④酵母的研究中发现了一种新的酶E4，作为一种泛素链聚集因子，在底物泛素化中，对多聚链的延长有重要作用。

在人类中存在着E4酶的同源物，他们有共同的U-box区域，因此这类蛋白称为U-box蛋白。

在哺乳动物中有六种。

他们不具有环指结构，不具备锌离子结合区域。

图五Ring finger结构和U-box结构的比较
E3对底物的选择机制有如下几种：
①蛋白质本身有特殊序列可被E3识别，例如具有N末端原则的蛋白可以被E3α亚型识别。

②某些底物蛋白经翻译后修饰可被E3识别，例如I k Bα经磷酸化后可被SCF复合体识别。

③E3或复合体的某些成分经翻译后修饰可被活化，例如APC亚型被磷酸化后可以识别有丝分裂的细胞周期蛋白。

④一些蛋白与辅助蛋白结合后可被识别，例如P53与辅助蛋白Hscp结合后被HECP亚型E3识别。

2.4 蛋白底物在26S蛋白酶体中的降解
在蛋白质底物泛素化之后，随即进行泛素-蛋白质复合体被26S蛋白酶体降解，释放泛素单体进行循环。

图六26S蛋白酶体结构
如图六，26S蛋白酶体中，中部20S蛋白酶体中心为桶装外形，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，组成α7β7β7α7结构。

Α亚基作用是底物的识别，β亚基作用是负责底物的降解。

不同的物种不同的生理状态下，20S蛋白酶体活性强度不等。

20S蛋白酶体活性调解因子主要有两种：19S调节复合体（PA700）和11S（PA26）调节复合体。

调节复合体位于20S的两端，与α环一端相邻。

两种不同的调节复合体与20S蛋白酶体结合后，进入不同的代谢途径：20S-19S主要是参与蛋白质的降解；20S-PA28负责抗原提呈（将抗原加工处理、降解成多肽）
此外在泛素系统中存在能够特异性切割泛素链C端的去泛素酶，包括泛素C 端水解酶（UCHs）和USP(ubiquitin-specific protease)家族。

UCH-13这一类酶的分析得到，酶中心部位由反向平行的β片层和两侧α螺旋组成，结构和含有巯基组织蛋白酶B相似。

在未结合泛素时，活性位点分成两个部分避免非特异性降解；当结合到泛素时，发生构象的改变，对泛素链进行切割。

USP和UCH相比结构更加复杂，有一个中心催化区域，其N端或者C端能够特异性识别底物蛋白。

DUB促进泛素分子再循环，是泛素系统的重要组成部分。

3.研究的意义与应用
泛素蛋白酶体体系在在真核生物细胞中有非常重要的作用，此途径的底物也非常广泛，例如细胞周期蛋白、肿瘤抑制因子和转录因子。

如果泛素代谢途径出现异常，会导致多种疾病的产生，例如安吉尔曼综合征。

安吉尔曼综合征是由于E6-AP蛋白酶功能异常（或者是缺少编码这个蛋白的基因）造成的。

不仅如此，心脑血管疾病的研究中，泛素参与了循环系统的代谢过程。

除此之外，泛素-蛋白酶体一个重要的应用就是是作为重要的靶标。

蛋白酶体的抑制剂Velcade已经用于临床肿瘤治疗，每年全球的销售额约10亿美元，这一数字到2015年将达到20亿美元；由于泛素连接酶的底物特异性明显优于蛋白酶体，药物设计策略正在从靶向蛋白酶体向靶向泛素连接酶转移，泛素连接酶的功能与调控研究已经成为生命科学领域的前沿热点。

从药物研发的角度看，泛素化体系非常有前景，这是一个金矿，大量的资源还没有开采，Velcade这一个药在美国每年销售就有14个亿，所以这个方向的研究非常有价值。

图七泛素-蛋白酶体系统作为靶标
骨质疏松是老年人常见的一种疾病，研究骨形成表明，CKIP-1在骨形成中非常重要一个新的骨形成负调控分子，CKIP-1在骨组织的表达随年龄增长而上升。

通过RNAi技术敲降CKIP-1的表达，促进骨形成来治疗骨质疏松症。

设计筛选得到的si-3可在人、恒河猴、大鼠、小鼠细胞中最为有效的干扰CKIP-1基因的表达。

建立了DSS6寡肽与Liposome融合的siRNA运载系统，DSS6-Liposome运载系统特异识别成骨细胞。

DSS6-脂质体-CKIP-1 siRNA有效提升大鼠骨量，促进骨形成，但不影响骨吸收，有效治疗卵巢切除诱导的骨质疏松症。

siRNA递送系统是迄今最特异的成骨靶向系统，将为骨质疏松治疗开辟新途径。

张令强教授团队找到了调控骨形成的重要分子，通过RNA干扰技术可有效刺激骨形成，重新注入新的骨量，从而从源头上解决了骨质疏松治疗的瓶颈问题。

图八蛋白质泛素化与常见人类疾病关系图
张令强教授团队在泛素化、类泛素化与肿瘤、骨质疏松症的发生机理与治疗研究领域有很大的成果，揭示了泛素连接酶与去泛素化酶的重要功能及调控机制为骨松和肿瘤的防治提供了重要的科学依据与技术创新。

4.研究展望
泛素化修饰自20世纪70-80年代发现以来，已经被证实是介导真核细胞内蛋白质降解的最主要的途径，它在调控蛋白质稳定性、活性及亚细胞定位等方面具有非常重要的作用，从低等到高等生物，这一修饰体系均广泛存在、很多酶类保守存在，在进化中具有重要的生物学功能。

2004年诺贝尔化学奖授予了泛素化降解的三位发现者，就是学术界对这一修饰类型重要性的最好的认可。

泛素化修饰降解的异常与包括肿瘤、神经退行性疾病、自身免疫病、骨质疏松症等人类疾病的发生发展密切相关。

但是从基础研究角度看，目前大量的E3、DUB还不清楚底物是什么、生理功能是什么，也不是很清楚它们与哪些疾病有关系。

另外泛素系统在调节生命活动的同时，自身又会受到那些因素的调控现在也不得而知。

由于整个泛素化、类泛素化系统的相关基因所占全基因组的比例接近5%，其工作量很大，对于这一领域的重视与投资显得尤为重要。

只有加强基础研究、不断提升原始创新的成果，才有可能为药物研发、疾病治疗提供更多的源头靶标，为推进我们国家的科技创新水平、药物研发水平、医疗救治水平做出贡献。

参考文献：
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（Department of Biochemistry and Molecular Biology, nstitute of Basic Medical Sciences, Chinese Academy of Medical Sciences & Peking Union Medical College, Beijing 10005, China)。