核质蛋白_重要的分子伴侣
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收稿日期: 2007203215, 接受日期: 2007205215 国家高技术研究发展计 划( 863 项目, No: 2005AA206120) 和 国家重 点 基础研究发展规划(973 计划, No: 2005CB121006) * 联系人 Tel: 0571286843198; E2mail : yaozhou@ chinagene. com Received: March 15, 2007; Accepted: May 15, 2007 Supported by Nat ional High Technology Research and Development Program of China (863 Program, No. 2005AA206120) , and Major State Basic Research Development Program of China ( 973 Program, No. 2005CB121006) * Corresponding author Tel: 0571286843198 E2mail: yaozhou@ chinagene. com
( 浙江理工大学生命科学学院 生物化学研究所, 杭州 310018)
摘要 分子伴侣一词最初是指一类在细胞核内介导蛋白和核酸相互作用的生物分子. 核质蛋白是 第一个发现和命名的核内分子伴侣, 它在体内以五聚体的形式存在, 参与核小体的装配、染色质的 重建以及细胞凋亡中染色质的聚缩等重要生命活动. 其序列中富含的酸性氨基酸区带是核质蛋白 行使功能的重要结构域, 这些酸性区带通过屏蔽组蛋白中的正电荷, 使得组蛋白能逐步有序地结合 到 DNA 上装配成核小体. 核质蛋白晶体结构的测定又将研究推向分子机制的深入探讨和作用模型 的建立. 本文主要对核质蛋白的结构和生物学性质、核质蛋白的相关功能以及活性调节的研究进 展作一综述. 关键词 核质蛋白; 分子伴侣; 核小体装配; 染色质重建 中图分类号 Q71
概括起 来, NP 五聚体外形 像一个扁圆形 的花 篮, 核心构成/ 花篮0的主体, 各单体的 C 端 尾巴则 像 5 条 彩带飘 离在/ 花 篮0 周围. 光谱 学和 预测 方 法[ 7] 表明, C 端尾巴主要折叠成环和转角, 有一定的 延展性[ 10] , 这对结构域的可塑性具有重要作用.
NP 的尾巴结构域包含核定位信号( NLS) . 将部 分酶解的 NP 微注射 到卵母细胞质中, 发现 其在核 内的积累是由 1 段短的多肽介导[6] . 对 NP 核定位信 号进行测序发现, 是 2 个彼此独立的碱性结构域组 成的长序列使得 NP 从胞质转 运到核[ 5] . 运用 蛋白 质的克隆和测序技术确定了一类含有 2 个碱性结构 域的 双 份 核 定 位 序 列 ( bipart ite nuclear localization sequence) [ 5] , 而 NP 是迄今为止描述的第 1 个含有双 份核定位序列的蛋白. 近年来更多的研究指出, 核定 位序列是结合到转运蛋白 importin A2B 二聚体上[ 12] , NP 也被用来研究蛋白是如何通过核孔复合体的选 择性通道进入核内. 已知只要有一个尾巴结构, 就 可将全部的核心带入细胞核.
Abstract The term / molecular chaperone0 was originally used to describe a class of biomolecules, which mediate interactions between nuclear acids and proteins in the nucleus. Nucleoplasmin is the first identified nuclear chaperone, existing in a form of pentamer in vivo, and part icipates in several important cellular activities such as nucleosome assembly, sperm chromatin remodeling and apoptosis2related chromatin condensation. Nucleoplasmin has abundant acidic amino acids, forming acidic tracts as essential functional domains. These acidic tracts shield the positive charge of histones, delivering histones to negatively charged DNA step by step, so as to avoid charge2driven aggregation under physiological ionic strength and facilitate an ordered assembly of nucleosome. In addition, determination of crystal structure of nucleoplasmin has driven the study into further discussion of molecular mechanism and establishment of model between nucleoplasmin and DNA. In this review, we mainly focus on the progresses in the structure and biological properties, the related functions as well as act ivity regulation of nucleoplasmin. Key words nucleoplasmin; chaperone; nucleosome assembly; chromat in remodeling
Fig. 1 Schematic r epresentation of Xenopus nucleoplasmin Black bars show the posit ion of the acidic tracts A1, A2 and A3. Gray bar shows the posit ion of the nuclear localizat ion sequence( NLS)
ISSN 100727626 CN 1123870PQ
# 综述#
中国生物化学与分子生物学报 Chinese Journal of Biochemistry and Molecular Biology
2007 年 9 月 23( 9) : 718~ 723
核质蛋白 ) ) ) 重要的分子伴侣
舒特俊, 张耀洲*
2 核质蛋白与核小体的装配
无论是从爪蟾卵细胞还是卵母细胞中分离出来 的核质蛋白都有将纯化的组蛋白和 DNA 在体外装 配核小体的活性[ 2, 3] .
在早期 研究 中, NP 是在 体内 从组蛋 白 ( H2AP H2B) 2 二聚 体 复合 物中 分离 出来, 并 且 能分 别与 (H3PH4) 4 四聚体和组蛋白核心八聚体形成复合物. 早期研究[ 3] 还显示, NP2组蛋白复合物不结合到电负 性的表面, 但在中性 pH 下能结合到带正电荷的树 脂上. 这表明, NP 能屏蔽组蛋白的正电荷. 这些数据 连同 NP 在卵母细胞核中的丰富程度提示, NP 的作 用之一就是屏蔽组蛋白库的正电荷, ( 爪蟾卵母细胞 含有足够大的组蛋白储备, 以装配染色质) 为受精和 早期胚胎发生过程的核小体装配提供需要. 当电负 性的 DNA 与正电荷的组蛋白在生理离子强度下混 合到一起, 他们会发生不可逆的沉淀作用. NP 的电 负性很好地屏蔽了组蛋白的正电荷, 从而介导逐步
分子伴侣一词现在已经泛指细胞质中指导和调 节新生肽链折叠的一类生物分子. 然而, 最初该词的 提出是为了描述一类细胞核内的生物分子, 这些分 子是和已经正确折叠的蛋白亚基结合, 介导蛋白和 核酸之间的相互 作用[ 1] . 这其中, 最早 发现和命 名 的, 就是核质蛋白.
1 核质蛋白的结构和生物学性质
核质蛋白( nucleoplasmin, NP) 最初是在 1978 年 从非洲爪蟾卵细胞和卵母细胞中分离出来, 当时的 描述是: 一种酸性、热稳定性蛋白, 在体外能促进纯 化的 组 蛋白 和 DNA 装 配 成 核 小体[ 2, 3] . 1980 年,
Earnshaw 等[ 3] 正式将它命名为核质蛋白. 它是爪蟾 卵母细胞核中含量最丰富的蛋白, 大约构成整个核 蛋白的 7% 至 10% [4] .
域, 有 120 个氨基酸残基并包含一段短的酸性区带
( acidic tract )A1, 称为/ 核心0, 使 NP 产生寡聚化作用 并赋予蛋白极强的稳定性[ 6, 8,9] . 其二, C 端蛋白酶敏 感的结构域, 有 80 个氨基酸残基, 包括碱性的双份 核定位序列和 2 条酸性区带: 20 氨基酸的多聚谷氨 酸带 A2 和较小的 A3, 称为/ 尾巴0(Fig. 1) .
第 9期
舒特 俊等: 核质蛋白 ) )) 重要的分子伴侣
719
爪蟾 NP 由 200 个 氨基酸残基组 成, 在溶 液中 形成 五 聚 体 结 构[ 5] . 蛋 白 水 解 分 析、交 联 分 析 ( crosslinking) 和序列比较[ 6, 7] 揭示, 每个单体折叠成 2 个结构域. 其 一, N 端保守 的抗 蛋白酶 解的结 构
Байду номын сангаасNucleoplasmin, an Important Nuclear Chaperone
SHU Te2Jun, ZHANG Yao2Zhou*
( College of Life Sci ences , Zhejiang Sci2Tech Universi ty , Hangzhou 310018, China)
重组的爪蟾 NP 五聚体核心结构域的 X 射线晶 体结构已经测定[ 8] ( Fig. 2) . 该晶体结构数据展示出 NP 的 3 个结构要点. 1) 核心五聚体平均直径 6 nm, 高 4 nm, 与早期电镜[ 3] 和沉降速率分析[ 10] 一致. 它 可以分为 3 个结构层面: 横侧面、纵侧面和寡聚化作 用表面. 2) 在五聚体中, 每个单体都折叠成 8 条链 的 B桶形结构, 在亚基间的分界面各单体都有 1 个 B 发夹环, 它可以使 横侧面的构象具 有一定的弹性. 3) 在五聚体内, 由单体的疏水性核心通过亚基接触 面相互作用形成连续环形结构, 这很可能是维持五 聚体热稳定性的关键结构[ 8, 11] .
核质蛋白出现在爪蟾的 Ò期卵母细胞, 并且能
在卵母细胞成熟为卵细胞过程中以及早期胚胎阶段 转变为中胚层时检测到[ 13] . 电泳 研究[ 7] 揭示, 卵母
细胞中的 NP( oNP) 和卵细胞中的 NP( eNP) 不同源, 它们是彼此独立的基因产物, 而不是同一个基因翻 译后加工的结果. eNP 酸性更强, 等电点为 4125, 而 oNP 等电点为 417, 展示了更大的分子异源性, 而且 迁移在更大的表观分子量位置. 这些差异可能是因 为磷酸化程度的不同, 用化学分析和质谱检测 eNP 和 oNP 的磷酸基团数量. 结果显示, oNP 平均含有 3 个磷酸基团, eNP 含有 7~ 10 个[ 7] , 但磷酸化残基的 一致性仍然未知. 蛋白酶消化研究表明, eNP 和 oNP 在 N 末端存在结构差异, 这可能是磷酸化程度不同 的原因. 利用光谱学技术( 圆二色性和红外光谱) 进 行的功能和结构研究显示, NP 的磷酸化活性并不显 著影响其二级 结构[ 7] , 但是显 著降低 了其热 稳定 性[ 9] .
( 浙江理工大学生命科学学院 生物化学研究所, 杭州 310018)
摘要 分子伴侣一词最初是指一类在细胞核内介导蛋白和核酸相互作用的生物分子. 核质蛋白是 第一个发现和命名的核内分子伴侣, 它在体内以五聚体的形式存在, 参与核小体的装配、染色质的 重建以及细胞凋亡中染色质的聚缩等重要生命活动. 其序列中富含的酸性氨基酸区带是核质蛋白 行使功能的重要结构域, 这些酸性区带通过屏蔽组蛋白中的正电荷, 使得组蛋白能逐步有序地结合 到 DNA 上装配成核小体. 核质蛋白晶体结构的测定又将研究推向分子机制的深入探讨和作用模型 的建立. 本文主要对核质蛋白的结构和生物学性质、核质蛋白的相关功能以及活性调节的研究进 展作一综述. 关键词 核质蛋白; 分子伴侣; 核小体装配; 染色质重建 中图分类号 Q71
概括起 来, NP 五聚体外形 像一个扁圆形 的花 篮, 核心构成/ 花篮0的主体, 各单体的 C 端 尾巴则 像 5 条 彩带飘 离在/ 花 篮0 周围. 光谱 学和 预测 方 法[ 7] 表明, C 端尾巴主要折叠成环和转角, 有一定的 延展性[ 10] , 这对结构域的可塑性具有重要作用.
NP 的尾巴结构域包含核定位信号( NLS) . 将部 分酶解的 NP 微注射 到卵母细胞质中, 发现 其在核 内的积累是由 1 段短的多肽介导[6] . 对 NP 核定位信 号进行测序发现, 是 2 个彼此独立的碱性结构域组 成的长序列使得 NP 从胞质转 运到核[ 5] . 运用 蛋白 质的克隆和测序技术确定了一类含有 2 个碱性结构 域的 双 份 核 定 位 序 列 ( bipart ite nuclear localization sequence) [ 5] , 而 NP 是迄今为止描述的第 1 个含有双 份核定位序列的蛋白. 近年来更多的研究指出, 核定 位序列是结合到转运蛋白 importin A2B 二聚体上[ 12] , NP 也被用来研究蛋白是如何通过核孔复合体的选 择性通道进入核内. 已知只要有一个尾巴结构, 就 可将全部的核心带入细胞核.
Abstract The term / molecular chaperone0 was originally used to describe a class of biomolecules, which mediate interactions between nuclear acids and proteins in the nucleus. Nucleoplasmin is the first identified nuclear chaperone, existing in a form of pentamer in vivo, and part icipates in several important cellular activities such as nucleosome assembly, sperm chromatin remodeling and apoptosis2related chromatin condensation. Nucleoplasmin has abundant acidic amino acids, forming acidic tracts as essential functional domains. These acidic tracts shield the positive charge of histones, delivering histones to negatively charged DNA step by step, so as to avoid charge2driven aggregation under physiological ionic strength and facilitate an ordered assembly of nucleosome. In addition, determination of crystal structure of nucleoplasmin has driven the study into further discussion of molecular mechanism and establishment of model between nucleoplasmin and DNA. In this review, we mainly focus on the progresses in the structure and biological properties, the related functions as well as act ivity regulation of nucleoplasmin. Key words nucleoplasmin; chaperone; nucleosome assembly; chromat in remodeling
Fig. 1 Schematic r epresentation of Xenopus nucleoplasmin Black bars show the posit ion of the acidic tracts A1, A2 and A3. Gray bar shows the posit ion of the nuclear localizat ion sequence( NLS)
ISSN 100727626 CN 1123870PQ
# 综述#
中国生物化学与分子生物学报 Chinese Journal of Biochemistry and Molecular Biology
2007 年 9 月 23( 9) : 718~ 723
核质蛋白 ) ) ) 重要的分子伴侣
舒特俊, 张耀洲*
2 核质蛋白与核小体的装配
无论是从爪蟾卵细胞还是卵母细胞中分离出来 的核质蛋白都有将纯化的组蛋白和 DNA 在体外装 配核小体的活性[ 2, 3] .
在早期 研究 中, NP 是在 体内 从组蛋 白 ( H2AP H2B) 2 二聚 体 复合 物中 分离 出来, 并 且 能分 别与 (H3PH4) 4 四聚体和组蛋白核心八聚体形成复合物. 早期研究[ 3] 还显示, NP2组蛋白复合物不结合到电负 性的表面, 但在中性 pH 下能结合到带正电荷的树 脂上. 这表明, NP 能屏蔽组蛋白的正电荷. 这些数据 连同 NP 在卵母细胞核中的丰富程度提示, NP 的作 用之一就是屏蔽组蛋白库的正电荷, ( 爪蟾卵母细胞 含有足够大的组蛋白储备, 以装配染色质) 为受精和 早期胚胎发生过程的核小体装配提供需要. 当电负 性的 DNA 与正电荷的组蛋白在生理离子强度下混 合到一起, 他们会发生不可逆的沉淀作用. NP 的电 负性很好地屏蔽了组蛋白的正电荷, 从而介导逐步
分子伴侣一词现在已经泛指细胞质中指导和调 节新生肽链折叠的一类生物分子. 然而, 最初该词的 提出是为了描述一类细胞核内的生物分子, 这些分 子是和已经正确折叠的蛋白亚基结合, 介导蛋白和 核酸之间的相互 作用[ 1] . 这其中, 最早 发现和命 名 的, 就是核质蛋白.
1 核质蛋白的结构和生物学性质
核质蛋白( nucleoplasmin, NP) 最初是在 1978 年 从非洲爪蟾卵细胞和卵母细胞中分离出来, 当时的 描述是: 一种酸性、热稳定性蛋白, 在体外能促进纯 化的 组 蛋白 和 DNA 装 配 成 核 小体[ 2, 3] . 1980 年,
Earnshaw 等[ 3] 正式将它命名为核质蛋白. 它是爪蟾 卵母细胞核中含量最丰富的蛋白, 大约构成整个核 蛋白的 7% 至 10% [4] .
域, 有 120 个氨基酸残基并包含一段短的酸性区带
( acidic tract )A1, 称为/ 核心0, 使 NP 产生寡聚化作用 并赋予蛋白极强的稳定性[ 6, 8,9] . 其二, C 端蛋白酶敏 感的结构域, 有 80 个氨基酸残基, 包括碱性的双份 核定位序列和 2 条酸性区带: 20 氨基酸的多聚谷氨 酸带 A2 和较小的 A3, 称为/ 尾巴0(Fig. 1) .
第 9期
舒特 俊等: 核质蛋白 ) )) 重要的分子伴侣
719
爪蟾 NP 由 200 个 氨基酸残基组 成, 在溶 液中 形成 五 聚 体 结 构[ 5] . 蛋 白 水 解 分 析、交 联 分 析 ( crosslinking) 和序列比较[ 6, 7] 揭示, 每个单体折叠成 2 个结构域. 其 一, N 端保守 的抗 蛋白酶 解的结 构
Байду номын сангаасNucleoplasmin, an Important Nuclear Chaperone
SHU Te2Jun, ZHANG Yao2Zhou*
( College of Life Sci ences , Zhejiang Sci2Tech Universi ty , Hangzhou 310018, China)
重组的爪蟾 NP 五聚体核心结构域的 X 射线晶 体结构已经测定[ 8] ( Fig. 2) . 该晶体结构数据展示出 NP 的 3 个结构要点. 1) 核心五聚体平均直径 6 nm, 高 4 nm, 与早期电镜[ 3] 和沉降速率分析[ 10] 一致. 它 可以分为 3 个结构层面: 横侧面、纵侧面和寡聚化作 用表面. 2) 在五聚体中, 每个单体都折叠成 8 条链 的 B桶形结构, 在亚基间的分界面各单体都有 1 个 B 发夹环, 它可以使 横侧面的构象具 有一定的弹性. 3) 在五聚体内, 由单体的疏水性核心通过亚基接触 面相互作用形成连续环形结构, 这很可能是维持五 聚体热稳定性的关键结构[ 8, 11] .
核质蛋白出现在爪蟾的 Ò期卵母细胞, 并且能
在卵母细胞成熟为卵细胞过程中以及早期胚胎阶段 转变为中胚层时检测到[ 13] . 电泳 研究[ 7] 揭示, 卵母
细胞中的 NP( oNP) 和卵细胞中的 NP( eNP) 不同源, 它们是彼此独立的基因产物, 而不是同一个基因翻 译后加工的结果. eNP 酸性更强, 等电点为 4125, 而 oNP 等电点为 417, 展示了更大的分子异源性, 而且 迁移在更大的表观分子量位置. 这些差异可能是因 为磷酸化程度的不同, 用化学分析和质谱检测 eNP 和 oNP 的磷酸基团数量. 结果显示, oNP 平均含有 3 个磷酸基团, eNP 含有 7~ 10 个[ 7] , 但磷酸化残基的 一致性仍然未知. 蛋白酶消化研究表明, eNP 和 oNP 在 N 末端存在结构差异, 这可能是磷酸化程度不同 的原因. 利用光谱学技术( 圆二色性和红外光谱) 进 行的功能和结构研究显示, NP 的磷酸化活性并不显 著影响其二级 结构[ 7] , 但是显 著降低 了其热 稳定 性[ 9] .