泛素蛋白酶体.docx

泛素一蛋白酶体途径代谢异常与2型糖尿病发生的关系随着社会的进步发展，人们生活水平的提高，糖尿病(diabetes mellitus,DM)的发病 率逐年增高据统计2011年全球糖尿病患者总数约3.66亿［1］，到2030年患病人数预计 将达到5.52亿，这其中85%〜90%为2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM), 而 中国、印度和美国为世界糖尿病三大国［2］0 T2DM以及其相应带来的并发症已成为严重威胁 人类机体健康的主要慢性病之一，不仅给患者身心带来巨大困扰，而且增加了患者家庭乃至 社会的医疗负担T2DM主要表现为胰岛素抵抗和胰岛素分泌缺陷而非胰岛B细胞自身免疫 破坏然而其确切发病机制尚未明确近年来，人们发现在肥胖、糖尿病等众多机体代谢紊 乱情况下，胰岛素靶器官中泛素-蛋白酶体系统(Ubiquitin-Proteasome System, UPS)活 性明显上调，并且表现出相应的病理表现［3］，UPS在T2DM及其并发症的发生、发展过程中 起了重要作用现将其机制作一综述1.泛素一蛋白酶体系统的组成UPS 由泛素(ubiquitin, Ub)、泛素活化酶(ubiquitin—activating enzyme, E1 )、 泛素结合酶(ubiquitin一conjugating enzyme, E2)、泛素蛋白连接酶(ubiquitin—protein ligase, E3 )、蛋白酶体及其底物(蛋白质)构成，其对靶蛋白的降解是一种三级酶联反 应过程。

通过UPS，细胞几乎可以对其内在的任何一种蛋白质进行高度特异性的降解，整个 过程由底物蛋白的泛素化和蛋白酶体降解两个部分组成［4］⑷泛素化是对特异的靶蛋白进 行泛素修饰的过程，泛素化修饰涉及泛素激活酶E1、泛素结合酶E2和泛素连接酶E3的 一系列反应首先在ATP供能的情况下，泛素分子C端的Gly残基与E1激活酶上的Cys 残基结合，将泛素激活；接着，激活酶将活化的泛素分子通过转酰基作用转移到E2结合酶 的Cys残基上，二者以硫酯键连接；之后，随着泛素连接酶识别靶蛋白，E3连接酶分别结 合着携带着泛素分子的E2结合酶和待泛素化修饰的底物蛋白，在连接酶的作用下，泛素分 子从结合酶上转移到底物蛋白上，完成泛素化修饰在此过程中，E3连接酶尤其重要，它 决定着泛素化修饰的时间性和特异性根据连接在靶蛋白上的泛素分子的连接方式和数目， 可以将泛素化修饰分为单泛素化修饰和多聚泛素化⑸由泛素控制的蛋白质降解具有重要 的生理意义，它不仅能够清除错误的蛋白质，还对细胞周期调控、DNA修复、细胞生长、免 疫功能等都有重要的调控作用1.1 泛素(Ub)Ub是1975年由Goldstein首先发现的一种在真核生物细胞内高度保守的多肽，单个泛 素分子是由76个氨基酸组成，分子量约85kD，泛素以共价键与底物蛋白连接，它的主要 功能是标记待降解的蛋白质，使其被转运至蛋白酶体，进而发生降解⑹。

泛素也可以标记 跨膜蛋白，比如受体，将其从细胞膜上除去泛素分子中散布着7个赖氨酸残基，这些残基 可以作为其他泛素共价结合的位点经过几轮结合后，泛素链将会变得很长，这样有助于对 “标记”蛋白的识别⑺泛素化蛋白可被泛素解离酶识别，而将泛素分子从底物蛋白上水 解下来，重复利用⑻1.2参与泛素化降解的酶E1是一种广泛表达的多肽，大约1100个氨基酸，含有位置固定的保守的半胱氨酸残基 有2个亚型，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 目前在脊椎动物中已发现的E1只有一个，有数目不等的E2和大量的E3； E1酶可以激活所 有的E2酶，每个E2酶又可以与多个E3酶相互作用【9】E1首先与ATP结合，然后与泛素 相互作用，催化泛素C端腺嘌吟化并释放焦磷酸，使其C端甘氨酸残基与E1的半胱氨酸残 基形成高能硫酯键而获得活性，E1-泛素结合的中间体再将泛素转移给E2s，形成E2-泛素 中间体E2种类很多，分子量在14—35 kDa之间，存在于细胞质和细胞核中，它的功能是在E1 酶激活泛素之后，协助特异性的E3将活化的泛素分子转移到底物蛋白上E2酶都具有相同 的UBC结构域核心，该结构域具有保守性，位于该部位的突变则体现了 E2家族的多样性， 每个家族在与E3酶作用时则表现出明显的特异性，且这几个家族能够进一步根据位于UBC 核心结构域的N端或C端区域的特点加以区分。

在高等多细胞生物中，酵母Ubc4/5家族有 着明显的保守性；在人类中，UbcH5家族具有此特征，该家族成员可与RING和HECT家族的 E3发生相互作用，例如，Ubc6p是内质网上的膜结合蛋白；Ubc4和Ubc5是许多寿命较短的 蛋白质降解必需的泛素结合酶【1E3是泛素化过程中最关键的酶，在人类基因组中，有多于400种编码E3s的基因E3具有特异性结合靶标蛋白质的功能【11】，到目前为止，E3也是参与蛋白质泛素化反应的 唯一可控成分【12】按介导泛素与靶蛋白的结合方式不同，E3s目前可分为三大类：即含有 环指状(RING-finger)结构域的E3s、含有HECT结构域的E3s类以及含有U-box结构域 的E3s【13】含有环指结构域的E3s，中心具有锌指结构域【14】，其不能通过硫酯键直接与 泛素连接形成过渡蛋白复合物，而是同时与装载泛素的E2和靶蛋白结合，将泛素直接转移 到靶蛋白上【15】，而催化底物蛋白的泛素化，仅起到受体的作用【16】，具有典型的环指结构 包括c-Cbl、APC、VCB和SCF等均属于该亚类E3含有HECT结构域的E3s，这类蛋白都含 有一个与乳头瘤病毒相关的E6-AP类似的保守结构域HECT，因此而得名，该结构域大约含 有350的氨基酸。

该类E3s是先将泛素从E2转移到HECT结构域的一个半胱氨酸活性位点 上，再将硫脂化的泛素转移到靶蛋白上【17】这一家族中最早发现的E3是人源的E6-AP【18】 【19】，它能够使P53蛋白发生多泛素化修饰进而被降解其他成员，比如Nedd4、Smurf， 在膜蛋白的泛素化依赖的内吞过程中起着重要的作用含有U-box结构域的E3s作为一类 新的泛素连接酶，直到2001年才被广泛接受U-box类E3s在结构上以及作用模式上与 RING-finger E3s类似，区别在于它们不具有与金属偶合的氨基酸残基【河，其不与泛素 分子形成共价连接，而是通过分子间氢键连接形成隙状结构【21】，催化E2s将泛素转移到 底物上，可能参与介导底物蛋白被其他E3泛素化后多聚泛素链的组装U-box类E3s包括 UFD2、CHIP、UIP5等成员这三类E3酶通过各自不同的作用方式，完成催化底物蛋白泛 素化过程中最关键的步骤，而且这一步骤也对蛋白质泛素化之后的蛋白酶体降解或者其它过 程起着决定性作用正因为如此，E3酶常常受到一系列精密的调控，比如转录水平的调节、 翻译后的修饰、自身泛素化等等，以确保细胞内蛋白质的数量处于正常的生理水平。

尽管不 同类别的E3酶在泛素化过程中的作用机制有所不同，但总的来讲，都包括了三个阶 段，首先E3酶与E2酶相互识别和作用，接着E3酶与底物的相互识别和作用，最后E3酶 催化泛素与底物蛋白结合或者泛素链的延长1.3蛋白酶体系统被多聚泛素链标记的底物蛋白最终在蛋白酶体中被降解在真核生物中，蛋白酶体定位 于胞核和胞质内，主要功能是利用蛋白水解酶将不需要的或者错误折叠的蛋白质降解成短的 肽段，因此蛋白酶体是细胞内的一种调节某些特定蛋白浓度、降解错误折叠蛋白的机制【22】 26S蛋白酶体由20S核心复合物，和19S调节复合物组成，20S核心复合 物约700kD，呈圆筒形，由外部的两个环和内部的两个8环组成，主要负责蛋白质的 降解在低等生物如古细菌中，20S核心复合物由14个相同的a亚基和14个相同的8亚 基组成在真核生物中，20S的a环和8环分别由7个亚基构成a环和8环在结构上是 类似的，a环形成轴向门控通道，8环形成降解腔8亚基的活性位点均位于环的内侧，8 1、8 2和8 5亚基具有水解功能，能够切割酸性残基、碱性残基或者疏水残基C端肽键真 核生物的19S调节复合物由9个蛋白组成，可以分为两个组件:直接与a亚基结合的10 个蛋白构成的基底以及能够识别多聚泛素标签的9个蛋白构成的顶盖。

10个基底蛋白中有 6个是来自AAA家族的ATP酶亚基，20S核心与19S调节复合物的结合，需要ATP与 ATP酶亚基结合，而ATP的水解释放的能量，则是泛素化的蛋白质降解所必需的【23】【24】 尽管科学家在该领域做了很多研究，但是直到今年，关于26S蛋白酶体的原子结构还是没 有彻底解决2.泛素蛋白酶体途径与2型糖尿病随着科学研究的不断深入，在大多数胰岛素靶器官中，人们已经基本认清胰岛素信号网 络的大致骨架结构，即IR/IRSs-PI3K-Akt通路；然而，对于影响此信号途径的具体分子机 制，人们的研究目前却刚刚起步⑵】在胰岛素信号的调控中，除去广泛的磷酸化修饰调控 以外，作为细胞内蛋白质降解的重要体系，泛素蛋白酶体途径在2型糖尿病发生中也发挥着 重要作用，蛋白质降解对于胰岛素信号传递的影响也是巨大的早在胰岛素抵抗研究的初期， 人们就在胰岛素抵抗的病人或动物模型中观察到，IR和IRS1在其酪氨酸磷酸化普遍受抑制 的同时，存在大量的“分子数目缺失”【26】【27】越来越多的研究表明胰岛素受体底物的泛 素化可能导致胰岛素信号通路障碍，是导致2型糖尿病发生的分子机制近些年，人们对 IRSs的蛋白质降解得到了一些认识，比如，SOCS1/3作为culling-RING类泛素连接酶的底 物识别分子，通过与IRS1和IRS2结合，介导了它们的泛素化降解【28】，进而引起胰岛素抵 抗。

Balasubramanyam等【29】研究表明泛素蛋白酶体途径可能在胰岛素抵抗的发病分子机制 中起到关键作用Xu【30】等发现E3泛素连接酶Cullin7能够调控IRS-1的水平，使其发生 泛素化而降解，从而引起胰岛素靶器官中IRS-1蛋白丰度的降低，影响胰岛素信号通路使其 发生胰岛素抵抗，Cullin7基因敲除小鼠胚胎成纤维细胞内集聚大量IRS-1，导致细胞生长 减弱和出现细胞衰老表型，从而证实IRS-1是Cullin7的蛋白水解靶标研究【31】发现0 -Arrestin-1可以与IRS-1竞争性结合E3泛素连接酶Mdm2，从而减少Mdm2介导的IRS-1 的泛素化和降解，促进磷脂酰肌醇3激酶(P13K)通路的信号转导，改善细胞内胰岛素的敏感 性朱丽⑶】等研究指出环指蛋白6(RNF6)作为一种E3连接酶，在肝细胞中高表达可以引 起IRS-1的表达下调，这一泛素化过程可能导致胰岛素信号转导障碍Rome【33】等研究发现 在胰岛素抵抗和糖尿病时，肌肉组织、脂肪组织、肝脏和胰腺中胰岛素信号蛋白泛素化降解 异常，在胰岛素抵抗、糖尿病发病过程中起着重要作用，在胰岛素敏感的3T3-L1脂肪细胞 中的APC蛋白能够募集c-Cbl蛋白与胰岛素受体结合，c-Cbl蛋白充当E3泛素连接酶，使 胰岛素受体发生泛素化降解。

叶彦【34】等研究表明2型糖尿病时IRS-1蛋白在肝脏中表达 水平下调，IRS-1泛素化水平增加是导致胰岛素下游信号分子活性降低，引起2型糖尿病的 重要原因Juan【35】等研究发现在高脂饲料喂养的C-Cbl基因剔除小鼠胰岛素敏感性显著高于野生 型小鼠而且肌肉中线粒体脂肪氧化酶和乙酰COA羧基酶等多种脂肪代谢关键酶活性显著提 高而c-Cbl是E3连接酶，为酪氨酸激酶受体的负调节因子，可以和蛋白质酪氨酸激酶及 其重要的信号分子相互作用，影响细胞内信号转导Ling【36】等研究发现脂肪中表达 TRB3(Tribbles-3)转基因小鼠可通过提高脂肪的氧化磷酸化，减轻食物诱导的肥胖TRB3 可通过泛素一蛋白连接酶(E3)copl(co。