泛素化对蛋白质的调节

泛素：泛素(Ubiquitin)是一种由76个氨基酸构成、在真核生物中广泛存在并具有高度保守性的多肽。泛素的氨基酸序列极其保守,例如酵母与人的泛素仅有3个残基的差别。泛素化修饰：一个或多个泛素分子在一系列酶的作用下与底物蛋白质分子共价结合的翻译后修饰过程称为泛素化修饰。泛素化修饰主要作用：1.参与蛋白质降解2.直接影响蛋白质的活性和定位蛋白质降解：泛素化修饰最早被发现的功能是标记靶蛋白,使之被蛋白酶体识别并降解,整个过程涉及泛素分子、底物蛋白和多种酶系统。1.泛素-蛋白酶体系统（UPS）：泛素激活酶（E1）、泛素结合酶（E2）、泛素连接酶（E3）、去泛素化酶、蛋白酶体，它们共同构成了泛素-蛋白酶体系统（UPS）。早在20世纪70年代就证实动物细胞内蛋白质的降解是具有高度选择性的。有一些模型提出来解释这种选择性降解蛋白的现象,例如,有人提出所有的蛋白都能迅速地进入溶酶体,但是只有那些短暂的蛋白被降解,而长寿命的蛋白质则从溶酶体中逃出重新回到细胞质。后期实验也证实溶酶体降解蛋白特异性很低,并且溶酶体降解所有的蛋白速率都一样。此外,用特定的抑制剂抑制溶酶体的功能对细胞内蛋白质降解的影响很小。这明显说明了溶酶体并不是特异性降解细胞内蛋白的细胞器。最终,发现细胞内特异降解蛋白的系统-泛素蛋白酶体系统。在细胞内,UPS能够快速地降解那些不正常的蛋白质和一些短暂的控制一系列基本细胞生命活动的调节蛋白。UPS降解蛋白质是一个复杂的和受到严密调控的,并且是高度特异性的降解细胞内许多蛋白质的过程。细胞是如何选择并以高度特异的方式来降解蛋白质的呢？它是通过给需要降解的蛋白质加上许多小的标签—泛素来标记需被降解的蛋白随后这些蛋白被泛素蛋白酶体降解。蛋白酶体存在于细胞核和细胞质,它是由10~20个亚基组成的蛋白复合物。细胞内普遍存在的蛋白酶体是26S蛋白酶体,由一个核心的20S蛋白酶体和两个具调节作用的19S蛋白酶体组成。20S蛋白酶体为中空结构,是一个大的具有催化活性的蛋白酶,由2个外环(7个a亚基)和2个内环(7个β亚基)组成。在细胞内,20S蛋白酶体具有潜在的催化能力,需要激活才具有蛋白酶活性,至少有2类蛋白酶体激活剂被发现在能够结合核心的20S蛋白酶体并增强它的催化活性。19S调节颗粒能够结合到20S蛋白酶体的外环上,形成26S蛋白酶体,它们主要负责降解泛素化的蛋白质。细胞内大多数的蛋白质是由26S蛋白酶体降解的。11S调节颗粒又被称为PA28或REG,它也能够结合到26S蛋白酶体并以一种不需要ATP和泛素化的方式起始短肽而不是完整的蛋白质的降解。如图：靶蛋白的泛素化降解涉及以下3个连续的过程：(1)泛素的活化,这个过程需要以ATP作为能量,泛素C端的羧基连接到泛素活化酶E1的巯基,最终形成一个泛素和泛素活化酶E1之间的硫酯键;(2)泛素活化酶E1将活化后的泛素通过交酯化过程传递给泛素结合酶E2;(3)泛素连接酶E3将结合E2的泛素连接到靶蛋白上。靶蛋白在泛素激活酶E1、泛素结合酶E2和蛋白泛素连接酶E3的作用下共价连接上几个泛素分子,然后被26S蛋白酶体所降解。蛋白质的降解是在20S核心颗粒中的β亚基进行的,一般不生成部分降解的产物,而是将底物蛋白完全降解为长度一定的肽段。26S蛋白酶体只识别泛素化的蛋白并将其降解为小肽,泛素在去泛素连接酶作用下回收再利用。如图：这些小肽随后被细胞质中的蛋白酶降解为氨基酸。在哺乳动物细胞内,UPS系统是一个层次非常鲜明体系：细胞内只表达一种泛素激活酶E1把泛素转移到大约50种泛素结合酶E2上,每种E2都可以与许多E3泛素连接酶相互作用,而E3泛素连接酶在细胞内大约有1000个,它们负责特异性地结合底物使其发生泛素化从而能被蛋白酶体降解。泛素化修饰可分为多聚泛素化修饰和单泛素化修饰。目前报道的多聚泛素化修饰主要有8种不同类型的连接方式,其中7种涉及泛素链内部赖氨酸K与泛素分子C末端的甘氨酸G相连接方式，包括K6、K11、K27、K29、K33、K48和K63位的多聚泛素化修饰。研究比较多的是K48位和K63位多聚泛素化修饰，其中K48位的多聚泛素化修饰主要起到降解的作用和调控蛋白的稳定性，K63位的多聚泛素化修饰主要起到信号转导、DNA修复的功能和调控蛋白的活性。近几年发现了第8种类型的泛素链连接方式即线性泛素化修饰，其泛素链的连接方式是由泛素甲硫氨酸Met1的氨基基团与另一泛素甘氨酸的羧基相连形成泛素链标记。目前研究表明线性泛素化修饰在先天性免疫和抑制炎症反应等多种过程中发挥着非常重要的作用，成为现阶段的研究热点。单泛素修饰影响细胞的膜运输、内吞和病毒出芽等过程；由48位赖氨酸（K48）形成的泛素链发生的修饰，主要介导蛋白质的蛋白酶体降解；由63位赖氨酸（K63）形成的泛素链发生的修饰，与内吞作用、炎症响应、蛋白质翻译和DNA修复相关。而其他形式的泛素链与细胞周期、溶酶体降解、激酶识别等一系列过程相关。泛素-蛋白酶体系统介导了真核生物体内80%~85%的蛋白质降解,该蛋白质降解途径具有依赖ATP、高效、高度选择性的特点。细胞内蛋白的降解主要具有两个方面的作用,一方面是通过降解错误折叠、突变或者损伤的蛋白来维持细胞的质量控制,另一方面是通过降解关键的调节蛋白来控制细胞的基本生命活动,例如生长、代谢、细胞凋亡、细胞周期和转录调节等。蛋白质的加工：虽然蛋白酶体降解成非常短的片段,但是在有些情况下,降解产物也是具有生物学活性的。一些转录因子复合物中的成分,合成后以无活性的前体分子存在,在经过泛素化和蛋白酶降解后,才转变为活性分子。例如,NF-kappaB、Spt23p和Mga2p等。细胞周期的调控：细胞周期的进程是由一系列细胞周期蛋白依赖性激酶(CDK)来进行调控的,而CDK的激活需要细胞周期蛋白(Cyclin)的结合。在细胞有丝分裂过程中,细胞周期蛋白的寿命很短,大约只有几分钟。在Cyclin-CDK复合物执行完功能后,复合物中的Cyclin则会很快速地被泛素-蛋白酶体系统降解,从而保证细胞周期的正常运转。此外,在细胞退出有丝分裂的过程中,CyclinB需要从有丝分裂促进因子上解离下来,而这一过程也依赖于蛋白酶体。例如,CyclinA的降解是由一种E3泛素连接酶-后期促进因子(APC)来进行的,APC的各组分在细胞分裂间期中表达,但是它只有在M期才具有E3连接酶活性,从而降解M期周期蛋白,细胞则有中期向后期转化。细胞周期的进程也受到细胞周期检验点的调控。例如,有丝分裂前期检查点Chfr蛋白在细胞分裂过程中发挥着重要作用。Chfr是一个E3泛素连接酶,其底物包括HDAC1、Plk1、Kif22、HLTF等,许多研究表明Chfr在细胞分裂过程中发挥着重要作用,细胞分裂存在有丝分裂应激时,Chfr通路激活引起PLK1的泛素化并降解,控制Cdc2激酶的活性,延迟染色体凝集和中心体分离,阻止细胞于有丝分裂前期,它的表达增强细胞对应激的生存能力。一旦有丝分裂应激解除并且缺陷修复,Chfr连接酶即失活,Plk1再合成驱使细胞进入有丝分裂期。因此,泛素蛋白酶体系统在细胞周期的调控上具有非常重要的作用。细胞凋亡：细胞凋亡对个体发育的正常进行,自稳平衡的保持以及抵御外界各种因素的干扰方面起着非常重要的作用.在细胞凋亡发生前,细胞内泛素化的蛋白质、泛素连接酶的表达明显上调.此外,在细胞凋亡过程中,蛋白酶体的定位出现了明显的改变,它由细胞核移位到调亡小泡的外膜.利用药物抑制蛋白酶体的活性可以影响不同类型细胞凋亡.在大多数被研究的细胞类型中,抑制蛋白酶体的活性可以促进细胞调亡.但是,蛋白酶体的活性并不是凋亡所必需的,在原代培养的静止和分化的细胞,如神经元细胞,抑制蛋白酶体的活性阻止了细胞的亡.但是这一机制到目前还不是很清楚.DNA修复:蛋白质p53是一个抑癌基因,被誉为“基因卫士”。至少有50%的人类癌症是由于p53的突变导致的。在正常细胞中,p53始终处于合成与降解的动态平衡状态,并维持在较低水平上。这种平衡状态的维持是离不开泛素蛋白酶体系统的。正常情况下,MDM2这一E3泛素连接酶与p53相互作用并使p53不断地降解。当DNA受到损伤时,p53被磷酸化而不再与MDM2相互作用,从而不再被泛素化降解,细胞内p53的蛋白水平迅速增加。p53是一个重要的转录因子,能够控制许多基因的表达,这些基因能够调控细胞周期、DNA的修复和细胞的凋亡等。如果p53的蛋白水平上升,细胞周期会被阻断,为DNA修复提供时间.细胞应激反应:当细胞应激反应发生时,热休克蛋白大量表达,其作用是识别错误折叠的蛋白质,并标记他们以供蛋白酶体的降解。目前,已经证实Hsp27和Hsp90具有提高泛素-蛋白酶体活性的功能。例如,Hsp27能够直接与多聚泛素链和26S蛋白酶体相互作用。在应激条件下,Hsp27促进泛素化蛋白质的降解,例如,磷酸化的I-kBα蛋白.I-kBα是转录因子NF-kB的一个主要的抑制剂。因此,在应激条件下,促进泛素-蛋白酶体降解I-kBα,从而可以激活NF-kB的活性.此外,Hsp70可以结合到错误折叠的蛋白质上,并引导E3泛素连接酶(如CHIP)将错误折叠的蛋白质标记上泛素,使得蛋白酶体能够降解它们.对于氧化损伤的蛋白质,泛素蛋白酶体系统也以类似的机制把它们降解.例如,细胞核内的蛋白酶体可以选择性地降解氧化损伤的组蛋白,这个过程是由PARP蛋白所调控进行的。泛素蛋白酶体系统选择性地降解一些损伤的蛋白质可以减轻对细胞的损害。调节免疫反应:大多数蛋白由蛋白酶体降解为特定长度的短肽,然而,也有一些蛋白能够逃脱这个过程而转运到内质网,在内质网内这些多肽结合到主要组织相容性复合物(MHC)类型I蛋白上,随后传递到抗原呈递细胞表面。如果这些蛋白不是来源于此细胞,例如,侵入机体的病毒、细菌或肿瘤,细胞毒性T淋巴细胞则会破坏这个细胞.虽然一般的蛋白酶体就可以参与这个过程,但是在这个过程中起主要作用的是一种特殊的复合物,其可以生成合适大小和成分的降解片断以供MHC结合.这种复合物是由11S调节颗粒和特殊的β亚基(β1i、β2i、β5i,具有不同的底物特异性)组成的,它们的表达由γ干扰素所诱导。NF-kB是一种抗凋亡和促炎症调控因子,它能够调控细胞因子的表达。26S蛋白酶体在NF-kB的激活中起着非常重要的作用,在NF-kB的激活过程中,NF-kB的抑制剂I-kB的快速降解和其前体p105加工成活性的NF-kB即p50。因此,泛素蛋白酶体系统被认为与炎症反应和自身免疫性疾病相关.调节生长和发育:在植物的生长和发育过程中,泛素蛋白酶体系统起着必不可少的作用,它参与了许多发育过程,包括激素反应、光形态、昼夜节律、花发育和衰老等。例如,茁长素(Auxin)或植物激素(Phytohormone)的作用是调控植物生长的方向和向性,它们通过细胞信号通路来诱导一系列转录因子的抑制蛋白(Aux/IAA蛋白)进入蛋白酶体降解途径。这些抑制蛋白被SCFTIR1蛋白或者SCF蛋白进行泛素化降解。Aux/IAA蛋白降解后,对Auxin反应因子(ARF)家族的转录因子的抑制就被解除,从而诱导ARF基因的表达。ARF的激活参与了对根和叶脉生长的指导。ARF蛋白和Aux/IAA蛋白之间配对的特异性被认为是ARF的去抑制作用具有反应特异性的原因.在个体的正常发育过程中,通过有丝分裂来增加细胞数目、通过有序的细胞分化来增加细胞类型,进而由不同类型的细胞组成组织和器官。显然,这个生长和发育的过程是受到高度调控的,其中,蛋白质降解起着非常重要的作用,特别是泛素蛋白酶体对特异蛋白的降解.例如,NEDD4通过调节IGF-1信号通路来调节动物的生长。在哺乳动物中,胰岛素样生长因子(IGF)信号轴是胎儿和出生后生长的主要调节者。这个信号轴主要包括3个配体(IGF-1、IGF-2和胰岛素)和两个跨膜的酪氨酸激酶受体(IGF-1R和IR)。IGF-1和IGF-2都可以促进胎儿生长。在出生后,生长激素可以促进自主增长和诱导全身和局部生产IGF-1,通过IGF-1R信号通路来促进增殖。因此,IGF-1在动物的