泛素蛋白酶體通路生命科學(xué)研究進展課件

1、泛素蛋白酶體通路生命科學(xué)研究進展1泛素介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解泛素介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解20042004年諾貝爾化學(xué)獎年諾貝爾化學(xué)獎主講人：石武良 博士 2011.11.22泛素蛋白酶體通路生命科學(xué)研究進展2蛋白質(zhì)合成蛋白質(zhì)合成 蛋白質(zhì)是生命活動的直接執(zhí)行者，生命過程中幾乎所有的環(huán)節(jié)都與蛋白質(zhì)有關(guān)。對于蛋白質(zhì)的合成取得了輝煌的成就（5項諾貝爾獎），但對于蛋白質(zhì)降解這一領(lǐng)域的研究長期被忽略。 胞質(zhì)合成途徑（游離核糖體） 內(nèi)質(zhì)網(wǎng)合成途徑（結(jié)合態(tài)核糖體）泛素蛋白酶體通路生命科學(xué)研究進展3泛素蛋白酶體通路生命科學(xué)研究進展4functions of cytoplasmic matrix:functions of cy

2、toplasmic matrix:the protein synthesis, degradation and modification.cells carefully monitor the amount of misfolded proteins. an accumulation of misfolded proteins in the cytosol triggers a heat-shock response, which stimulates the transcription of genes encoding cytosolic chaperones that help to r

3、efold the proteins.泛素蛋白酶體通路生命科學(xué)研究進展52004年泛素蛋白酶體通路生命科學(xué)研究進展6 2004年10月16日瑞典皇家科學(xué)院將該年度諾貝爾化學(xué)獎授予以色列科學(xué)家阿龍切哈諾沃、阿夫拉姆赫什科和美國科學(xué)家歐文羅斯，以表彰他們在泛素調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)降解研究領(lǐng)域中的卓越成就。泛素蛋白酶體通路生命科學(xué)研究進展7蛋白質(zhì)降解蛋白質(zhì)降解調(diào)控動植物體內(nèi)幾乎所有的生命活動（細胞增殖、分化、凋亡、dna復(fù)制和修復(fù)、轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)質(zhì)量控制等，參與病原體的入侵、致病和免疫等過程）： 蛋白質(zhì)在行使其功能后，需要在特定的時空條件下被降解； 蛋白質(zhì)在合成、折疊、轉(zhuǎn)運、或行使功能過程中發(fā)生錯誤或損傷時，

4、需要被及時降解和清除； 食物中的蛋白質(zhì)，也要經(jīng)過蛋白質(zhì)降解酶的作用降解為多肽或氨基酸才能被人體吸收。泛素蛋白酶體通路生命科學(xué)研究進展8蛋白質(zhì)的降解途徑（蛋白質(zhì)的降解途徑（2 2種）種） 溶酶體： 不需能量 主要降解細胞外和細胞膜蛋白質(zhì) 泛素-蛋白酶體通路： 需能 高效、特異的蛋白質(zhì)降解過程，控制著動植物體內(nèi)絕大多數(shù)蛋白質(zhì)的降解泛素蛋白酶體通路生命科學(xué)研究進展9泛素泛素- -蛋白酶體通路概述蛋白酶體通路概述 蛋白質(zhì)的降解是一個精細控制的過程，首先有待降解的蛋白質(zhì)被一種多肽（稱之為泛素）所標記，接著這些蛋白質(zhì)進入細胞的蛋白酶復(fù)合體中，蛋白酶復(fù)合體是一個上下有蓋的圓桶狀酵素，它們?nèi)缤毎幕厥照?，?/p>

5、門負責(zé)蛋白質(zhì)的分解及再循環(huán)利用，泛素在這一過程中釋出訊號，讓蛋白酶復(fù)合體分辨出有待降解的蛋白質(zhì)。泛素蛋白酶體通路生命科學(xué)研究進展10意義意義 了解了泛素為媒介的蛋白質(zhì)裂解作用和過程，使得科學(xué)家對細胞如何控制及分裂蛋白質(zhì)的研究有可能深入到分子層級。而當?shù)鞍踪|(zhì)裂解作用發(fā)生異常時，人體就會產(chǎn)生不適甚至疾病，如子宮頸癌癥和囊腫纖維癥等，因此，從分子層面角度去了解泛素調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)降解的化學(xué)過程和機理，及對生命過程進一步的探索，具有十分重要的應(yīng)用意義。泛素蛋白酶體通路生命科學(xué)研究進展11應(yīng)用實例應(yīng)用實例 2003.5 美國食品醫(yī)藥管理局批準應(yīng)用一種新型的蛋白酶體抑制劑velcade（ps-341，萬珂），

6、治療骨髓瘤； 2004.4，歐洲藥品評價機構(gòu)也允許velcade在歐盟上市（46個國家）； 雷公藤-雷公藤素也是一種蛋白酶體抑制劑，它能通過控制癌細胞的蛋白酶體活性進而誘發(fā)癌細胞凋亡。 應(yīng)用前景廣闊泛素蛋白酶體通路生命科學(xué)研究進展12泛素泛素蛋白酶體途徑蛋白酶體途徑( upp )( upp )的組成的組成 泛素蛋白酶體途徑( upp )由泛素( ubiquitin, ub)以及一系列相關(guān)的酶組成。除泛素以外還包括4 種酶家族:泛素活化酶( ubiquitin - activating enzyme, e1 ) 、泛素偶連酶( ubiquitin - conjugating enzymes, e

7、2 s)也稱泛素載體蛋白( ubiquitin -carrier protein) 、泛素-蛋白連接酶( ubiquitin - ligating enzymes, e3 s)和蛋白酶體(proteasome) 。蛋白的泛素化和去泛素化都需要多種酶介導(dǎo), upp既有高度底物多樣性又具有針對不同調(diào)控機制的多樣性。泛素蛋白酶體通路生命科學(xué)研究進展13泛素的結(jié)構(gòu)與組成泛素的結(jié)構(gòu)與組成 泛素含有76個氨基酸殘基,廣泛存在于真核生物,目前尚未發(fā)現(xiàn)泛素存在于原核生物中，泛素的氨基酸序列極其保守。泛素基因主要編碼兩種泛素前體蛋白質(zhì):一種是多聚泛素,另一種是泛素融合蛋白。泛素蛋白酶體通路生命科學(xué)研究進展14泛

8、素泛素蛋白酶體途徑蛋白酶體途徑( upp )( upp )一系列相關(guān)的酶一系列相關(guān)的酶泛素蛋白酶體通路生命科學(xué)研究進展15 泛素活化酶(ubqiuitin-activating enzyme,簡稱e1)是催化泛素與底物結(jié)合所需的第一個酶。分子量110-130kda，由1100個左右氨基酸殘基組成，對靶蛋白的識別幾乎沒有特異性。擬南芥e1由單基因編碼的大小分別為110kda和117kda的兩個亞基組成。e1活性很高，低濃度即可激活泛素。e1e1（泛素激活酶）（泛素激活酶）泛素蛋白酶體通路生命科學(xué)研究進展16泛素偶連酶泛素偶連酶( e2 )( e2 )是泛素與蛋白底物結(jié)合所需的第二是泛素與蛋白底物

9、結(jié)合所需的第二個酶。擬南芥基因組中至少存在個酶。擬南芥基因組中至少存在3737個個e2e2基因，分為基因，分為1212個亞族。個亞族。e2e2有一個由有一個由150150個氨基酸殘基（分子量個氨基酸殘基（分子量14-16kda14-16kda）組成）組成的保守區(qū)域的保守區(qū)域, ,含有半胱氨酸殘基，接受從含有半胱氨酸殘基，接受從e1-e1-泛素復(fù)合泛素復(fù)合物轉(zhuǎn)移過來的活化的泛素分子，形成物轉(zhuǎn)移過來的活化的泛素分子，形成e2-e2-泛素復(fù)合物；泛素復(fù)合物；在在e3e3的協(xié)同作用下，的協(xié)同作用下，e2-ube2-ub復(fù)合物把活化的泛素分子轉(zhuǎn)復(fù)合物把活化的泛素分子轉(zhuǎn)移到底物蛋白上，形成單泛素化蛋白或者

10、多聚泛素化移到底物蛋白上，形成單泛素化蛋白或者多聚泛素化蛋白。蛋白。 e2e2（泛素結(jié)合酶）（泛素結(jié)合酶）泛素蛋白酶體通路生命科學(xué)研究進展17e3e3是泛素蛋白酶體途徑中種類最多的一種酶，是在底物的是泛素蛋白酶體途徑中種類最多的一種酶，是在底物的特異性選擇降解過程中作用最為關(guān)鍵成員。它的主要功能特異性選擇降解過程中作用最為關(guān)鍵成員。它的主要功能是識別應(yīng)該被泛素化的靶蛋白，然后使活化的泛素接近特是識別應(yīng)該被泛素化的靶蛋白，然后使活化的泛素接近特異靶蛋白的異靶蛋白的lyslys，從而將泛素轉(zhuǎn)移到底物上去。，從而將泛素轉(zhuǎn)移到底物上去。e3e3分子量較分子量較大，約大，約100-300 kda100-

11、300 kda。e3e3（泛素連接酶）（泛素連接酶）泛素蛋白酶體通路生命科學(xué)研究進展18植物中已鑒定的植物中已鑒定的e3e3有有5 5類類 hect型e3 ring finger/u-box型e3 apc復(fù)合體 scf復(fù)合體 cul3-btb復(fù)合體泛素蛋白酶體通路生命科學(xué)研究進展19泛素蛋白酶體通路生命科學(xué)研究進展20泛素蛋白酶體通路生命科學(xué)研究進展21 蛋白酶體是催化泛素與底物蛋白偶聯(lián)體降解的關(guān)鍵酶,包括20 s蛋白酶體和26 s蛋白酶體。26 s是由20 s和19 s復(fù)合體共同結(jié)合裝配而成,此組裝過程需要耗能。20 s蛋白酶體是主要起催化作用的復(fù)合體,它由14個不同的蛋白組裝成一個筒狀結(jié)構(gòu)

12、,由內(nèi)層2個環(huán)和外層2個環(huán)組成, 每個環(huán)含有7個亞基,基本結(jié)構(gòu)可書寫成7777。亞基主要用于底物識別,亞基主要參與底物降解。19 s復(fù)合體由17或18個亞基組成,在特定條件下又可分成2個次級復(fù)合物,一個叫蓋子( lid) ,一個叫底座( base) 。底座由10個亞基組成,其中6個有atp酶活性,它們與底物泛素化有關(guān),蓋子由8個沒有atp酶活性的亞基組成,其中一個亞基rpn11 /pda / s13在泛素循環(huán)方面起重要作用。26s26s蛋白酶體蛋白酶體泛素蛋白酶體通路生命科學(xué)研究進展2226s蛋白酶體的結(jié)構(gòu) 泛素蛋白酶體通路生命科學(xué)研究進展23泛素蛋白酶體通路生命科學(xué)研究進展24細胞內(nèi)的廢棄物

13、處理裝置蛋白酶體 一個細胞大約含30000個細胞廢棄物處理裝置即蛋白酶復(fù)合體蛋白酶體，這些桶狀結(jié)構(gòu)可以幾乎將所有蛋白質(zhì)分解為7-9個氨基酸長度的縮氨酸，蛋白酶體的活性表面在桶狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)部。蛋白酶體能辨別出與泛素結(jié)合的蛋白質(zhì)，一旦作為標簽的泛素脫離蛋白質(zhì)，即可利用三磷酸腺苷提供的能量改變蛋白質(zhì)的性質(zhì)使其從一端進入蛋白酶復(fù)合體內(nèi)發(fā)生降解，并最終以縮氨酸的形式從另一端釋放出來。這一過程如此復(fù)雜，需要消耗能量。然而蛋白酶體并不能選擇待降解的蛋白質(zhì)，細胞內(nèi)主要是通過e3類酶的特異性選擇并利用泛素加以標簽，從而選擇正確的待降解蛋白質(zhì)。泛素蛋白酶體通路生命科學(xué)研究進展25黑點表示活性區(qū)域，蛋白質(zhì)降解的場所泛

14、素蛋白酶體通路生命科學(xué)研究進展26泛素化和去泛素化泛素化和去泛素化泛素通過e1和e2被激活的過程稱為泛素的活化。泛素的活化過程是一個依賴atp的酶促反應(yīng)：首先泛素活化酶( ubiquitin activatingenzyme e1 ) 催化泛素c 末端的甘氨酸( gly) 形成ub腺苷酸中間產(chǎn)物,然后激活的泛素c末端被轉(zhuǎn)移至e1酶內(nèi)cys殘基的sh鍵上,形成高能硫酯鍵;含有高能硫酯鍵的泛素通過轉(zhuǎn)酰基作用使其進一步轉(zhuǎn)移到泛素載體蛋白( ubiquitin conjugating enzyme, e2)特異的cys殘基上,形成e2ub巰基酯;e2ub巰基酯提供泛素分子,使泛素c端甘氨酸與底物蛋白的

15、lys殘基的氨基形成共價鍵,由第一個泛素單體與底物蛋白內(nèi)部的lys殘基的氨基(或氨基)結(jié)合; 泛素蛋白酶體通路生命科學(xué)研究進展27泛素可以直接從e2轉(zhuǎn)移給底物蛋白形成ub蛋白復(fù)合物,這時的底物多是些堿性蛋白(如組蛋白) ,而在大多數(shù)情況下,底物蛋白先與泛素連接酶( ubiquitin ligating enzyme, e3)特異性結(jié)合,e3可使e2和底物蛋白相互接近,繼而蛋白底物與e2酶連接的泛素結(jié)合,這樣就完成了底物蛋白質(zhì)的泛素化。1和3：e1、e2催化的泛素激活反應(yīng)，消耗atp；2：e3催化的蛋白質(zhì)激活反應(yīng)，消耗atp；4：依賴于e3的蛋白質(zhì)泛素化反應(yīng)；5：不依賴于e3的蛋白質(zhì)泛素化反應(yīng)；

16、6：26s蛋白體催化蛋白質(zhì)水解；7和8：異肽酶催化的水解反應(yīng)，使泛素游離出來。泛素蛋白酶體通路生命科學(xué)研究進展28 去泛素化作用是泛素化過程的逆轉(zhuǎn)。在真核細胞內(nèi)已發(fā)現(xiàn)多種去泛素化酶,它們能夠水解泛素和底物蛋白之間的硫酯鍵,還能把錯誤識別的底物從泛素化復(fù)合體中釋放出來。它們又可以分為兩類:（1）泛素羧端水解酶( ubiquitin c - terminal hydrolases (uchs) )：分子量為2030 kd,水解去除和泛素c末端連接的小肽,也參與泛素多聚體產(chǎn)生泛素單體的過程,促進泛素再循環(huán),對泛素系統(tǒng)的正常運行是很有必要的。（2）泛素特異性加工酶( ubiquitin - spici

17、fic prote2ases - ubps/usps)：分子量大約為100 kd,參與去除和解聚底物蛋白質(zhì)上的多聚泛素鍵,從而防止多聚泛素在底物蛋白的聚集。泛素蛋白酶體通路生命科學(xué)研究進展29泛素蛋白酶體途徑( upp )介導(dǎo)的蛋白水解過程 由泛素介導(dǎo)的蛋白水解過程,分為2個階段。第一階段:多個泛素分子與靶蛋白共價結(jié)合。首先,泛素經(jīng)泛素活化酶e1 活化,泛素上76位的gly與泛素活化酶上特殊的cys殘基形成一個高能硫酯鍵,并伴有atp水解; 然后,通過轉(zhuǎn)酯作用,泛素從泛素活化酶轉(zhuǎn)移到泛素結(jié)合酶e2 的cys上,形成泛素結(jié)合酶- 泛素;最后,在泛素連接酶e3 參與下,泛素又從泛素結(jié)合酶轉(zhuǎn)移到受體

18、蛋白(靶蛋白)的lys殘基上,形成泛素- 靶蛋白,使靶蛋白發(fā)生泛素化。多個遍泛素分子重復(fù)地附加到靶蛋白上,則形成分枝的多ub鏈。泛素共有7個lys殘基,在多聚泛素鏈結(jié)構(gòu)中,其中一個泛素的c - 末端gly與相鄰的泛素之間通過lys48、lys63或lys29連接。泛素蛋白酶體通路生命科學(xué)研究進展30第二階段: 靶蛋白在26 s蛋白酶體的作用下,由泛素介導(dǎo)的蛋白水解過程。經(jīng)泛素活化的底物蛋白被展平后,通過兩個狹孔,進入26 s蛋白酶體的催化中心,蛋白降解在20 s蛋白酶體內(nèi)部發(fā)生。進入26 s蛋白酶體的底物蛋白質(zhì)被多次切割,最后形成322個氨基酸殘基的小肽。整個流程分為以下六個步驟：1、e1類酶

19、激活泛素，該過程需要atp（三磷酸腺苷）提供一定能量；2、泛素轉(zhuǎn)移至e2類酶；3、e3類酶具有特異性，可以識別出需破壞的目標蛋白質(zhì)，與目標蛋白質(zhì)接近的e2-泛素復(fù)合體將泛素轉(zhuǎn)移至目標蛋白質(zhì)；4、e3類酶釋放出被泛素標記的蛋白質(zhì)；5、被標記的蛋白質(zhì)分子尾端形成一小段泛素分子鏈；6、泛素分子鏈在蛋白酶體的端口被識別并脫離蛋白質(zhì)，目標蛋白質(zhì)進入蛋白酶復(fù)合體的桶狀通道最終降解為縮氨酸并由另一端口釋放出去。泛素蛋白酶體通路生命科學(xué)研究進展31泛素蛋白酶體通路生命科學(xué)研究進展32upp參與的生物學(xué)功能1、抗原提呈：抗原分子泛素化后被26 s蛋白酶體降解成多肽,然后由組織相容性復(fù)合體(mhc) i類分子提呈

20、到細胞表面,再被細胞毒性t細胞(ctl)識別。2、調(diào)節(jié)細胞周期： upp調(diào)節(jié)降解調(diào)節(jié)蛋白,如細胞周期因子、信號傳導(dǎo)蛋白等,在控制細胞周期尤其是生殖細胞方面起重要作用。細胞周期因子先被泛素化,然后由26 s蛋白酶體降解,導(dǎo)致周期因子依賴的激酶失活,從而使細胞有絲分裂期中止。細胞周期因子- 周期因子依賴的激酶復(fù)合體可由它們特定的抑制因子使其失活,這些抑制因子也由泛素- 蛋白酶體途徑降解。泛素蛋白酶體通路生命科學(xué)研究進展33g1checkpoint: fission yeast cells: start point；animal cells: restriction point泛素蛋白酶體通路生命科學(xué)研究進展34m m期周期蛋白與分裂中期向分裂后期轉(zhuǎn)化期周期蛋白與分裂中期向分裂后期轉(zhuǎn)化泛素蛋白酶體通路生命科學(xué)研究進展35upp與疾病 upp與許多人類疾病有關(guān)。與泛素相關(guān)的疾病可分為2種:一種是泛素體系酶的突變導(dǎo)致的功能喪失或者是目標底物蛋白識別基序的改變,而導(dǎo)致某種蛋白的穩(wěn)定。另一種是目標蛋白功能不正?；蚣铀俳到獾慕Y(jié)果。泛素蛋白酶體途徑是細胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因素,細胞的許多重要蛋白都在此通路的調(diào)控之下。 泛素蛋白酶體通路對細胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及細胞生長調(diào)控是一個很重要的調(diào)節(jié)因素,并與許多生理及病理過程密切相關(guān)。泛素蛋白酶體通路生命科學(xué)研