蛋白质的泛素化降解总结.pdf

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 ① N 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 ② HECT 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 ③ Ring 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 IkBα经磷酸化后可被 SCF 复合体 识别③ E3 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α 7β 7β 7α 7 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 @nts。