泛素 蛋白酶体系统

泛素分子间不同的连 接方式 产生作用不同 的信号
El可以水解ATP,与泛素的羧基末端形成高能硫酯键而激活泛素
在真核生物中，这个激活反应由两步构成:
ATP和泛素起始形成泛素-腺苷酸中间物并释 放PPi
泛素-腺苷酸中间物与E1半胱氨酸残基发生反 应形成E1-Ub硫酯键
E1
• 仅有单一的E1 ，对靶蛋白无特异性
THE UBIQUITIN SYSTEM
NK 分享
泛素-蛋白酶体途径
• 真核生物细胞内蛋白质选择性 降解的重要途径
•
•
将蛋白共价连接上单个或多个范素分子
催化范素化的酶有：泛素活化酶（E1）， 泛素结合酶（E2），泛素蛋白质连接酶（E3）
•
由26S蛋白酶体识别和降解
Enzymatic reactions of the ubiquitin system
11S调节颗粒
19S调节颗粒
蛋白酶体抑制剂及其应用
最初的蛋白酶体抑制剂是钙蛋白酶抑制剂 I 和 II 的派生物， 它们不可逆地共价修饰具有催化活性的β亚基中的苏氨酸。
此类抑制剂特异性的不高，高浓度时抑制钙蛋白酶。相 比之下，实验室中最常用的抑制剂链霉菌属代谢物乳胞素则 表现为蛋白酶体的特异性抑制剂。
泛素
泛素是于1975年发现的 一种在真核生物细胞内 高度保守的多肽，由76 个氨基酸组成，分子量 约85 kD。泛素分子紧 密折叠成球形，5股混 合的R片层形成一个腔 样结构，内部对角线位 置有1个a螺旋。这个结 构称为泛素折叠。
Functionally relevant features of the Ub structure. The seven lysine residues are shown in red and labeled, while the L8–I44–V70 hydrophobic patch is shown in gold ball-andstick
Cyclosome or anaphase promoting complex (APC)
特异性地为含有destruction box的细胞周期蛋白进行泛 素化修饰。
Phosphoproteinubiquitin ligase complex
磷酸化底物后是使泛素连 接复合体更易对底物进行 泛素化。
以此，去泛素化酶参与调节多种生理过程，如长期记忆的 形成，细胞增殖，基因的沉默。
含有HECT结构域的E3s。 其C-末端含有一段大约350个氨基酸的区域与E6-AP(E6associated protein)的C-末端同源。
HECT E3s催化转硫醇反应将E2s中的泛素转移给HECT结构域内 的保守的半胱氨酸残基 。
HECT结构域的缺失不影响底物的结合，高度可变的N末端结构域 负责对底物的特异性识别和结合。
泛素化降解的信号
许多短周期蛋白通过磷酸化修饰作为进入泛素化降 解途径的信号。
通过研究短周期蛋白的结构，可以总结出短周 期蛋白一些结构上的特征，如：
•含PEST元件 （富含Pro、Glu、Ser、 Thr和S/TP序列，Cdk 和其他磷酸化酶的作用 位点） • N-end-rule-system • Destruction Box 已知的含该结构的细胞 周期调节蛋白的泛素 连接都由APC来催化
●
E3s(泛素连接酶)
底物识别（binds directly or indirectly）和催化 泛素转移(directly or indirectly, from a thiolester intermediate)
● ●
决定泛素化途径的底物的多样性和选择性
Possible mechanisms of ubiquitin transfer by different types of E3 enzymes.
多聚泛素分子的连接
泛素分子中的7个赖 氨酸残基：
K6 K29 K63 K11 K33 K27 K48
Functionally relevant features of the Ub structure. The seven lysine residues are shown in red and labeled, while the L8–I44–V70 hydrophobic patch is shown in gold ball-andstick
降解泛素化底物的一个ATP依赖型蛋白水解复合体。
26s蛋白酶体
26S蛋白酶体
20S核心蛋白酶(CP)
670 kD，蛋白酶解发生的 场所
19S调节颗粒(RP)
900kD ，识别并结合聚泛素 化底物，打开折叠再把它们转 运到核心颗粒
20S核心蛋白酶(CP)
4个7聚体蛋白环层（α1-7β1-7 β1-7 α1-7）
E3s的分类
不同类型的E3s之间没有同源性，目前发现有四种类型的E3： ● N-end rule E3 ● hect (homologous to E6APCterminus) domain family ● Cyclosome or anaphase promoting complex (APC) ● Phosphoprotein-ubiquitin ligase complex
拥有双甘氨酸残基的 SUMO，C-末端甘氨酸 通过硫酯键与E1激活酶 的半胱氨酸残基相连。 Ubc9是目前发现的唯一 一种E2结合酶，它可以 直接识别底物，从而最 终将SUMO通过异肽键 偶联到底物蛋白的赖氨 酸残基上。
SUMO 化修饰异常与许多人类重大疾病密切相关 ，如过 表达Ubc9促进乳腺癌细胞的生长及肿瘤的发生；在肺癌、 乳腺癌、前列腺癌、结肠-直肠癌和脑癌细胞中SUMO连 接酶E3(PIAS3)都存在不同程度的表达上调 。
蛋白酶体抑制剂应用于肿瘤，自体 免疫疾病，艾滋病，哮喘等的治疗。另 外，带有荧光基团的抑制剂也已经被开 发应用于特异性标记组装好的蛋白酶体 上的活性位点
去泛素化酶（DUBs）
• 泛素羧端水解酶 （UCHs） 水解去除和泛素C端连接的小肽。 • 泛素特异性加工酶 （UBPs） 参与去除和解聚蛋白质上的多聚泛素链，从而防止多聚素 在蛋白酶体的聚集 。 去泛素化酶通过去除和解聚多聚泛素化链促进蛋白的降解； 某些情况下，移除泛素分子又会使蛋白稳定，避免一些泛 素化修饰不完全或错误修饰的蛋白进入泛素化降解途径。
E2s都含有一个保守的大约150个氨基酸的核心结 构域，在结构域的中央是决定E2s活性的Cys残基，位 于蛋白表面浅的裂隙内,结构可能与E3s的识别、E2s 自身的活性以及底物识别有关。
●
部分E2对底物蛋白的作用是有特异性的，如参与 DNA修复的Ubc2/Rad6
●
这种特异性可能来自于E2s与特异性的E3s之间的 相互作用
N-end rule E3
E3α：大约200KD,识别并有特殊的结合N端序列由碱性氨基酸 或疏水氨基酸组成的蛋白的位点; 一些没有符合N端规则的N端氨基酸序列的蛋白底物， 可以结合在E3α假定的“body”位点。
பைடு நூலகம்
E3β：识别并结合N端氨基酸不带电、小侧链的蛋白。
HECT (homologous to E6-APCterminus) domain family
泛素
疏水核心和大量的氢键， 赋予泛素特殊的稳定性， 能够防止在结合和靶向 性降解循环中变性失活， 从而保证泛素循环的运 行。C末端第76位含有 一个泛素化必须的甘氨 酸。泛素与其它蛋白都 是通过C-未端第76位甘 氨酸来连接的。
Functionally relevant features of the Ub structure. The seven lysine residues are shown in red and labeled, while the L8–I44–V70 hydrophobic patch is shown in gold ball-andstick
经泛素-蛋白酶体途径降解的细胞蛋白：
• • • • 细胞表面受体 信号传导蛋白 转录因子 细胞周期调控的相关蛋白
故泛素-蛋白酶体系统参与细胞内多种代谢过程,包 括细胞表面受体的下调、细胞内信号转导、转录以 及细胞周期的调控，并与细胞凋亡、免疫应答以及 细胞的一些生理功能和病理状态有着密切的联系。
2004年10月6日，瑞典皇家科学院宣布，将2004年诺贝尔化 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(从左至右)，以表彰他们发现了泛素调节 的蛋白质降解。
• 大约1100个氨基酸，含有位置固定的保守的半
胱氨酸残基 • E1有2个亚型Ela和Elb ，是由同一个mRNA在 不同的起始位点翻译而成的，存在于细胞浆和 细胞核中
级联反应的第二步是泛素分子在E2s (泛素结合 酶 或 Ubcs)催化经过转硫醇反应从E1半胱氨酸残基 转移给E2s活化的半胱氨酸位点。
β环
含有胰蛋白酶、糜蛋白酶和谷氨酰样 肽水解活性。两个β 环β 活性蛋白酶位点。
1、β 2、β 5六
个亚基在它们的氨基端分别产生一个
α环
两个α亚基的氨基末端封住蛋白水解腔隙 的入口，通过移去并重排氨基端残基来 控制底物进入和产物排出。
19S调节颗粒(RP)
19S RP由一个圆筒状基部(Base)和一个盖子(Lid)组成
基部 连在CP的外表面，其中有6个 ATP酶，这些ATP酶的功能很 可能就是拆开底物，并调控底 物进入蛋白酶体的过程。 盖子 由8个亚基组成（Rpn3、5、6、7、9、 12、8、11）。Rpnll亚基作为蛋白酶体中 最保守的非ATP酶，是一个类似金属蛋白 酶的蛋白，具有去泛素化活性。
除了19S调节颗粒外，还存在另一种调节颗粒，即11S 颗粒；11S调节颗粒可以以类似于19S颗粒的方式与核 心颗粒结合；11S颗粒可能在降解外源肽（如病毒感染 后产生的肽段）上发挥作用。