泛素-蛋白酶體通路-生命科學研究進展ppt課件

1、泛素介導的蛋白質降解泛素介導的蛋白質降解2004年諾貝爾化學年諾貝爾化學獎獎主講人：石武良主講人：石武良 博士博士 2021.11.22蛋白質合成蛋白質合成 蛋白質是生命活動的直接執(zhí)行者，生命過程中幾乎一切的環(huán)節(jié)都與蛋白質有關。對于蛋白質的合成獲得了輝煌的成就5項諾貝爾獎，但對于蛋白質降解這一領域的研討長期被忽略。 胞質合成途徑游離核糖體 內質網合成途徑結合態(tài)核糖體Functions of cytoplasmic matrix:The protein synthesis, degradation and modification.Cells carefully monitor the amou

2、nt 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 refold the proteins.2004年 2004年10月16日瑞典皇家科學院將該年度諾貝爾化學獎授予以色列科學家阿龍切哈諾沃、阿夫拉姆赫什科和美國科學家歐文羅斯，以表揚他們在泛素調理的蛋白質降

3、解研討領域中的杰出成就。蛋白質降解蛋白質降解調控動植物體內幾乎一切的生命活動細胞增殖、分化、凋亡、DNA復制和修復、轉錄和蛋白質質量控制等，參與病原體的入侵、致病和免疫等過程：蛋白質在行使其功能后，需求在特定的時空條件下被降解；蛋白質在合成、折疊、轉運、或行使功能過程中發(fā)生錯誤或損傷時，需求被及時降解和去除；食物中的蛋白質，也要經過蛋白質降解酶的作用降解為多肽或氨基酸才干被人體吸收。蛋白質的降解途徑蛋白質的降解途徑2種種 溶酶體： 不需能量 主要降解細胞外和細胞膜蛋白質 泛素-蛋白酶體通路： 需能 高效、特異的蛋白質降解過程，控制著動植物體內絕大多數蛋白質的降解泛素泛素-蛋白酶體通路概述蛋白酶

4、體通路概述 蛋白質的降解是一個精細控制的過程，首先有待降解的蛋白質被一種多肽稱之為泛素所標志，接著這些蛋白質進入細胞的蛋白酶復合體中，蛋白酶復合體是一個上下有蓋的圓桶狀酵素，它們好像細胞的回收站，專門擔任蛋白質的分解及再循環(huán)利用，泛素在這一過程中釋出訊號，讓蛋白酶復合體分辨出有待降解的蛋白質。意義意義 了解了泛素為媒介的蛋白質裂解作用和過程，使得科學家對細胞如何控制及分裂蛋白質的研討有能夠深化到分子層級。而當蛋白質裂解作用發(fā)生異常時，人體就會產生不適甚至疾病，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理的蛋白質降解的化學過程和機理，及對生命過程進一步的探求，具有非常重要的應意

5、圖義。運用實例運用實例 2003.5 美國食品醫(yī)藥管理局同意運用一種新型的蛋白酶體抑制劑VelcadePS-341，萬珂，治療骨髓瘤； 2004.4，歐洲藥品評價機構也允許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，它能經過控制癌細胞的蛋白酶體活性進而誘發(fā)癌細胞凋亡。 運用前景寬廣泛素泛素蛋白酶體途徑蛋白酶體途徑( 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(

6、ubiquitin - conjugating enzymes, E2 s)也稱泛素載體蛋白( ubiquitin -carrier protein) 、泛素-蛋白銜接酶( ubiquitin - ligating enzymes, E3 s)和蛋白酶體(proteasome) 。蛋白的泛素化和去泛素化都需求多種酶介導, upp既有高度底物多樣性又具有針對不同調控機制的多樣性。泛素的構造與組成泛素的構造與組成 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:一種是多聚泛素,另一種是泛素交融蛋白。泛素泛

7、素蛋白酶體途徑蛋白酶體途徑( upp )( upp )一系列相關的酶一系列相關的酶 泛素活化酶(ubqiuitin-activating enzyme,簡稱E1)是催化泛素與底物結合所需的第一個酶。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偶連酶泛素偶連酶( E2 )是泛素與蛋白底物結合所需的第二個是泛素與蛋白底物結合所需的第二個酶。擬南芥基因組中至少存在酶。擬南芥基因組中至少存在37個個E2基因，分為基因

8、，分為12個個亞族。亞族。E2有一個由有一個由150個氨基酸殘基分子量個氨基酸殘基分子量14-16kDa組組成的保守區(qū)域成的保守區(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-泛素復泛素復合物轉移過來的活化的泛素分子，構成合物轉移過來的活化的泛素分子，構成E2-泛素復合物；泛素復合物；在在E3的協(xié)同作用下，的協(xié)同作用下，E2-Ub復合物把活化的泛素分子復合物把活化的泛素分子轉移究竟物蛋白上，構成單泛素化蛋白或者多聚泛素轉移究竟物蛋白上，構成單泛素化蛋白或者多聚泛素化蛋白。化蛋白。 E2泛素結合酶泛素結合酶E3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

9、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鍵成員。它的主要功能特異性選擇降解過程中作用最為關鍵成員。它的主要功能是識別應該被泛素化的靶蛋白，然后使活化的泛素接近特是識別應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Lys，從而將泛素轉移究竟物上去。，從而將泛素轉移究竟物上去。E3分子量分子量較大，約較大，約100-300 kDa。E3泛素銜接酶泛素銜接酶植物中已鑒定的植物中已鑒定的E3有有5類類 HECT型E3 RING finger/U-box型E3 APC復合體 SCF復合體 CUL3-BTB復合體 蛋白酶體是催化泛素與底物蛋白偶聯體降解的關鍵酶,包括20 s蛋

10、白酶體和26 s蛋白酶體。26 s是由20 s和19 s復合體共同結合裝配而成,此組裝過程需求耗能。20 s蛋白酶體是主要起催化作用的復合體,它由14個不同的蛋白組裝成一個筒狀構造,由內層2個環(huán)和外層2個環(huán)組成, 每個環(huán)含有7個亞基,根本構造可書寫成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,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

11、要作用。26S蛋白酶體蛋白酶體26S蛋白酶體的構造 細胞內的廢棄物處置安裝蛋白酶體 一個細胞大約含30000個細胞廢棄物處置安裝即蛋白酶復合體蛋白酶體，這些桶狀構造可以幾乎將一切蛋白質分解為7-9個氨基酸長度的縮氨酸，蛋白酶體的活性外表在桶狀構造的內部。蛋白酶體能區(qū)分出與泛素結合的蛋白質，一旦作為標簽的泛素脫離蛋白質，即可利用三磷酸腺苷提供的能量改動蛋白質的性質使其從一端進入蛋白酶復合體內發(fā)生降解，并最終以縮氨酸的方式從另一端釋放出來。這一過程如此復雜，需求耗費能量。然而蛋白酶體并不能選擇待降解的蛋白質，細胞內主要是經過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。黑點表

12、示活性區(qū)域，蛋白質降解的場所泛素化和去泛素化泛素化和去泛素化泛素經過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的酶促反響： 首 先 泛 素 活 化 酶 ( u b i q u i t i n activatingenzyme E1 ) 催化泛素C 末端的甘氨酸( Gly) 構成Ub腺苷酸中間產物,然后激活的泛素C末端被轉移至E1酶內Cys殘基的SH鍵上,構成高能硫酯鍵;含有高能硫酯鍵的泛素經過轉?；饔檬蛊溥M一步轉移到泛素載體蛋白( ubiquitin conjugating enzyme, E2)特異的Cys殘基上,構成E2Ub巰基酯;E2Ub巰基酯提供泛素分子,使

13、泛素C端甘氨酸與底物蛋白的Lys殘基的氨基構成共價鍵,由第一個泛素單體與底物蛋白內部的Lys殘基的氨基(或氨基)結合; 泛素可以直接從E2轉移給底物蛋白構成Ub蛋白復合物,這時的底物多是些堿性蛋白(如組蛋白) ,而在大多數情況下,底物蛋白先與泛素銜接酶( ubiquitin ligating enzyme, E3)特異性結合,E3可使E2和底物蛋白相互接近,繼而蛋白底物與E2酶銜接的泛素結合,這樣就完成了底物蛋白質的泛素化。1和3：E1、E2催化的泛素激活反響，耗費ATP；2：E3催化的蛋白質激活反響，耗費ATP；4：依賴于E3的蛋白質泛素化反響；5：不依賴于E3的蛋白質泛素化反響；6：26S

14、蛋白體催化蛋白質水解；7和8：異肽酶催化的水解反響，使泛素游離出來。 去泛素化作用是泛素化過程的逆轉。在真核細胞內已發(fā)現多種去泛素化酶,它們可以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末端銜接的小肽,也參與泛素多聚體產生泛素單體的過程,促進泛素再循環(huán),對泛素系統(tǒng)的正常運轉是很有必要的。2泛素特異性加工酶( ubiquitin - spicific prote2ases - UBPs/USPs)

15、：分子量大約為100 KD,參與去除和解聚底物蛋白質上的多聚泛素鍵,從而防止多聚泛素在底物蛋白的聚集。泛素蛋白酶體途徑( upp )介導的蛋白水解過程 由泛素介導的蛋白水解過程,分為2個階段。第一階段:多個泛素分子與靶蛋白共價結合。首先,泛素經泛素活化酶E1 活化,泛素上76位的Gly與泛素活化酶上特殊的Cys殘基構成一個高能硫酯鍵,并伴有ATP水解; 然后,經過轉酯作用,泛素從泛素活化酶轉移到泛素結合酶E2 的Cys上,構成泛素結合酶- 泛素;最后,在泛素銜接酶E3 參與下,泛素又從泛素結合酶轉移到受體蛋白(靶蛋白)的Lys殘基上,構成泛素- 靶蛋白,使靶蛋青絲生泛素化。多個遍泛素分子反復地

16、附加到靶蛋白上,那么構成分枝的多Ub鏈。泛素共有7個Lys殘基,在多聚泛素鏈構造中,其中一個泛素的C - 末端Gly與相鄰的泛素之間經過Lys48、Lys63或Lys29銜接。第二階段: 靶蛋白在26 s蛋白酶體的作用下,由泛素介導的蛋白水解過程。經泛素活化的底物蛋白被展平后,經過兩個狹孔,進入26 s蛋白酶體的催化中心,蛋白降解在20 s蛋白酶體內部發(fā)生。進入26 s蛋白酶體的底物蛋白質被多次切割,最后構成322個氨基酸殘基的小肽。整個流程分為以下六個步驟：1、E1類酶激活泛素，該過程需求ATP三磷酸腺苷提供一定能量；2、泛素轉移至E2類酶；3、E3類酶具有特異性，可以識別出需破壞的目的蛋白

17、質，與目的蛋白質接近的E2-泛素復合體將泛素轉移至目的蛋白質；4、E3類酶釋放出被泛素標志的蛋白質；5、被標志的蛋白質分子尾端構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，目的蛋白質進入蛋白酶復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。UPP參與的生物學功能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合體(MHC) I類分子提呈到細胞外表,再被細胞毒性T細胞(CTL)識別。2、調理細胞周期： UPP調理降解調理蛋白,如細胞周期因子、信號傳導蛋白等,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

18、 s蛋白酶體降解,導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。G1checkpoint: fission yeast cells: Start point；Animal cells: Restriction PointM期周期蛋白與分裂中期向分裂后期轉化期周期蛋白與分裂中期向分裂后期轉化UPP與疾病 UPP與許多人類疾病有關。與泛素相關的疾病可分為2種:一種是泛素體系酶的突變導致的功能喪失或者是目的底物蛋白識別基序的改動,而導致某種蛋白的穩(wěn)定。另一種是目的蛋白功能不正?；蚣铀俳到獾慕Y果。泛素蛋白酶體途徑是細胞內環(huán)境穩(wěn)定的關鍵調理要素,細胞的許多重要蛋白都在此通路的調控之下。 泛素蛋白酶體通路對細胞內信號轉導及細胞生長調控是一個很重要的調理要素,并與許多生理及病理過程親密相關。腫瘤發(fā)病機制中的作用 泛素蛋白酶體通路在腫瘤的發(fā)病機制中起重要作用。腫瘤可以原因于癌基因蛋白生長促進因子的穩(wěn)定或由于腫瘤抑癌基因的不穩(wěn)定。某些常規(guī)經過蛋白酶體降解的癌基因蛋白,假設不能及時地從細胞中去除,就會誘導細胞惡變。神經系統(tǒng)疾病發(fā)病機制中的作用 近年來發(fā)現泛素系統(tǒng)也與神經細胞