泛素化蛋白修饰

K48 polyubiquitylation
K63 polyubiquitylation 调节蛋白质的活性和定位
Monoubiquitylation
调节蛋白质内吞，修饰和转录
Multiple monoubiquitylation 12
E3的种类
a. RING finger domain（SCF复合体，APC， MDM2， Parkin, 和c-Cb1） b. U-box domain（CHIP) c. HECT domain（能与底物形成硫酯键) d. N-End Rule
Cps35 Is Required for Translating Histone Crosstalk between H2B Monoubiquitination and H3 Methylation by COMPASS
Nrdp1 是一促进ErbB3及BRUCE泛素化
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泛素化(ubiquitination)即蛋白质被泛素 (ubiquitin，由76个氨基酸组成的多肽）共价 修饰的过程，在几乎所有的真核细胞活动中起 着关键作用。泛素 –蛋白酶体(proteasome)通 路则是真核细胞内最主要的蛋白质降解途径。 泛素化调控的细胞活动至少包括: 细胞周期（Cell cycle progression） 细胞凋亡（Apoptosis） 转录调控（Transcriptional regulation） DNA修复（DNA repair） 免疫应答（Immune response） 蛋白质降解及质量控制（Protein degradation and quality control )
泛素－蛋白酶体通路
Ub E1 Ub-E2 底物
ATP -E1 Ub
E3
AMP+PPi
E2
蛋白酶体
Ub: 泛素 (Ubiquitin)，一高度保守的，由76个氨基酸组成的多肽。 E1: 泛素激活酶 (Ubiquitin-activating enzyme)，人类仅有2种E1。 E2: 泛素载体蛋白 (Ubiquitin-carrier protein)， 人类约有 30 种E2s。 E3: 泛素－蛋白连接酶 (Ubiquitin-protein ligase)， 人类有500多种E3s 。
篇数
5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 2004 2005 2006 2007 2008 2009
Ub/Proteasome Cyclin Histone miRNA
年份 4
本专题内容
1. 泛素－蛋白酶体通路的组成及重要性 2. 泛素化与泛素化酶 3. 去泛素化酶 4. 泛素化异常与人类重大疾病的发生 5. 蛋白酶体构成 6. 蛋白酶体抑制剂与药物 7. 调节蛋白酶体活性的新机制 8. 类泛素蛋白（SUMO, NEDD8, ISG15, APG8, APG12， PUP等）
N ENGL J MED 2004, 350:187-188 24
泛素连接酶Mdm2和E6-AP与p53的降解和癌症
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Ubiquitination and transcriptional regulation
Ubiquitination occurs on histones H1, H2A, H2B and H3. This modification on different histones plays distinct roles in regulation of chromatin structures, and hence gene expression and genome stability
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E3泛素连接酶以单体和复合体两种形式存在
14
去泛素化作用 （Deubiquitination）
Amerik and Hochstrasser, 2004
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去泛素化酶 (Deubiquitinating enzyme)
去泛素化酶可分为两类：
泛素-C-末端水解酶 ，通常参与蛋白降解后泛素分子的再 利用及对多聚泛素链的修饰，也参与由泛素前体产生泛素 单体的过程（如UCH37、UCH-L1)。 泛素特异性蛋白酶 ，参与去除蛋白质上的多聚泛素链，也 可从短泛素链的末端去掉单个泛素（如USP8)。
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CYLD促进IκB的去泛素化， 从而抑制NF-κB的活性
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圆柱瘤Cylindromatos也称 “头帕肿瘤综合症”(turban tumour syndrome), 其患者细 胞CYLD的两个等位基因都发 生了突变，结果使患者细胞中 CYLD丧失功能，导致核转录 因子NF-κB的过度活化；启动 基因的转录，导致细胞的过度 增殖
泛素化蛋白修饰
Protein Modification by Ubiquitination
北京协和医学院研究生课程：细胞信息与调控
2010年10月13日
The Central Dogma （Revised)
DNA
RNA
Protein
Breakdown Modification & Degradation
Current Opinion in Neurobiology 2004, 14:384–389 18
Parkin Substrates
Current Opinion in Neurobiology 2004, 14:384–389 19
帕金森氏症中的去泛素化
UCH-L1为一去泛素化酶，它在帕金森氏症病人中的突变 可能导致其酶活性的丧失，减少了泛素自由单体的供应及 底物蛋白的降解，进而导致黑质病变。
Ubiquitination of histone H2A and H2B has opposite effects on transcription. Ubiquitination of H2B is associated with gene activation, while H2A ubiquitination contributes to gene silencing
去泛素化酶属半胱氨酸蛋白酶，目前已发现90多种。
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泛素化途径的异常与人类重大疾病
• 神经退行性疾病（如帕金森氏症）： Mdm2, Nrdp1, pVHL • 传染病病原体的入侵、致病机制: E6-AP
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泛素连接酶Parkin的失活与帕金森氏症（AR-JP)
pVHL
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去泛素化酶CYLD的突变与圆柱瘤 Cylindromatos的发生相关
TRAF2
N末端 1
结合位点
C末端 684 956
394
470
CYLD具有TRAF2（TNF-receptor-associated factor 2， 为 Iκ B 的泛素连接酶) 结合位点，可促进 Iκ B 的去泛素化。
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活化的泛素C-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)。
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泛素化模式（Ubiquitination Modes）
靶蛋白必须经多聚泛素(多于4个泛 素分子)修饰才能被蛋白酶体识别 与降解。
2
The Nobel Prize in Chemistry 2004 for the discovery of ubiquitin-mediated proteolysis
Aaron Ciechanover
阿龙.西查诺瓦
Avram Hershko
阿夫拉姆.赫希科
Irwin Rose
欧文.罗斯
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近年与泛素－蛋白酶体相关的PubMed论 文数在持续增长
Wang et al., NATURE |VOL 431 | 14 OCTOBER 2004
Histone Crosstalk between H2B Mono-ubiquitination and H3 Methylation Mediated by COMPASS
Lee et al., Cell 131, 1084–1096, 2007
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参考书
《泛素介导的蛋白质降解》 Ubiquitin-Mediated Proteolysis 主编：邱小波 王琛 王琳芳
陈竺和诺贝尔奖得主 Aaron Ciechanover 作序
中国协和医科大学出版社， 2008年
蛋白质泛素化研究简史
1975年，Goldstein误将泛素（Ubiquitin)当作胸腺激素而发现。 1977年，Goldknopf和Busch认定组蛋白2A与泛素以异肽键（Isopeptide Bond）结合。 1977年，Goldberg证明人类细胞中存在一可溶的，直接依赖于能量的非溶 酶体类蛋白酶 。 1978年，Ciechanover 和 Hershko发现了APF-1是Goldberg系统中蛋白酶 系的必要成分，结果发表在BBRC。 1980年，Ciechanover，Hershko和Rose等人证明了APF-1与当时已被发 现的泛素是同一物质 。 1984年，Finley和Varshavsky等发现泛素在细胞周期中的重要性。 1987年，Goldberg和Rechsteiner两个小组几乎同时分离出分子量很大的 依赖于ATP并降解泛素化底物的蛋白水解酶。 1988年，Goldberg将这种蛋白水解酶命名为Proteasome（蛋白酶体）。 1997年，Yeh 等小组发现类泛素蛋白SUMO和NEDD8的功能。 2003年，美国FDA批准了用Velcade来治疗多发性骨髓瘤； Velcade 是 在Goldberg发明的蛋白酶体抑制剂MG132的基础上研发而成的。 2004年，Ciechanover，Hershko和Rose因发现泛素介导的蛋白质降解共 同获得诺贝尔化学奖。 2008年，Darwin等在细菌中发现类泛素化修饰。 7
Figure 8-34 Ubiquitin (泛素）
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)。 10
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。
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泛素化失调与肿瘤
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失调蛋白
底物
修饰
肿瘤类别
———————————————————————————————————————— SKP2 p27 (KIP) Polyubiquitylation Malignant melanoma MDM2 p53 Polyubiquitylation Non-small-cell lung cancer, soft-tissue carcinoma, colorectal cancer HAUSP p53, MDM2 De-ubiquitylation Non-small-cell lung cancer lymphoma APC Cyclin B, Polyubiquitylation Colorectal cancer securin FANCL FANCD2 Monoubiquitylation Fanconi anaemia-related cancers CYLD IKKγ De-ubiquitylation Cylindromatosis IAP2 BCL10 Polyubiquitylation MALT lymphomas CBL RTKs HIF Multiple monoubiquitylation Polyubiquitination Lymphoma, AML and gastric carcinoma von Hippel-Lindau disease