泛素蛋白酶體途徑PPT參考課件

1、,蛋白質(zhì)降解的蹊徑 泛素-蛋白酶途徑,1,一、發(fā)現(xiàn)的過(guò)程二、泛素-蛋白酶途徑概述三、泛素蛋白酶體途徑( upp )的組成四、泛素蛋白酶體途徑過(guò)程五、UPP途徑生物學(xué)意義六 小 結(jié),2,阿龍切哈諾沃 出生時(shí)間：1947年 出生地：以色列海法市 國(guó)籍：以色列 學(xué)位：1981年以色列理工學(xué)院醫(yī)學(xué)博士學(xué)位 獲得成果時(shí)間：20世紀(jì)70年代末和80年代初 獲得成果地點(diǎn)：以色列理工學(xué)院 美國(guó)費(fèi)城?？怂骨兴拱┌Y研究中心 獲獎(jiǎng)年齡：57歲 現(xiàn)任職地點(diǎn)：以色列理工學(xué)院，該學(xué)院生物化學(xué)部的教授，同時(shí)兼任拉帕波特醫(yī)學(xué)研究學(xué)院的負(fù)責(zé)人。,3,2020/8/26,阿弗拉姆赫爾什科 出生時(shí)間：1937年 出生地：匈牙利考爾

2、曹格 國(guó)籍：以色列 學(xué)位：1969年以色列耶路撒冷希伯萊大學(xué)哈達(dá)薩赫醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)博士學(xué)位 獲得成果時(shí)間：20世紀(jì)70年代末和80年代初 獲得成果地點(diǎn)：以色列理工學(xué)院 美國(guó)費(fèi)城?？怂骨兴拱┌Y研究中心 獲獎(jiǎng)年齡：67歲 現(xiàn)任職地點(diǎn)：以色列理工學(xué)院，該學(xué)院拉帕波特醫(yī)學(xué)研究學(xué)院的著名教授。,4,2020/8/26,歐文羅斯 出生時(shí)間：1920年 出生地：美國(guó)紐約 國(guó)籍：美國(guó) 學(xué)位：1952年美國(guó)芝加哥大學(xué)博士學(xué)位 獲得成果時(shí)間：20世紀(jì)70年代末和80年代初 獲得成果地點(diǎn)：美國(guó)費(fèi)城?？怂骨兴拱┌Y研究中心 獲獎(jiǎng)年齡：78歲 現(xiàn)任職地點(diǎn)：美國(guó)加州大學(xué)醫(yī)學(xué)院，該學(xué)院生理學(xué)和生物物理學(xué)系資深專家。,5,2020

3、/8/26,一、發(fā)現(xiàn)的過(guò)程,1、二十世紀(jì)70年代蛋白質(zhì)的研究狀況： 科學(xué)家關(guān)于蛋白質(zhì)如何“誕生”的研究成果很多，迄今為止至少有5次諾貝爾獎(jiǎng)授予了從事這方面研究的科學(xué)家，但關(guān)于蛋白質(zhì)是如何“死亡”的研究卻相對(duì)較少。 2、三位科學(xué)家的興趣所在： A. 蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)到底是如何“死亡”的？ B. 為什么細(xì)胞需要能量來(lái)降解蛋白質(zhì)？,6,2020/8/26,3、三名科學(xué)家的匯合： 20世紀(jì)70年代末期，切哈諾沃和赫爾什科以停薪留職的方式前往美國(guó)，與當(dāng)時(shí)正在費(fèi)城?？怂骨兴拱┌Y研究中心從事研究工作的羅斯匯合，開(kāi)始進(jìn)行他們的研究工作。,7,2020/8/26,4、發(fā)現(xiàn)泛素分子 1979年，當(dāng)三人試圖用層析法去

4、掉血紅蛋白時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)萃取液分成了兩個(gè)部分，每個(gè)單獨(dú)的部分處于靜止?fàn)顟B(tài)，但一旦將兩個(gè)部分重新融合在一起，依靠ATP的蛋白質(zhì)降解過(guò)程被再次啟動(dòng)。在其中一部分溶液中活躍的成份是一個(gè)具有熱穩(wěn)定性的多肽，這個(gè)多肽含有一個(gè)分子量為9000的分子，并將這個(gè)分子取名為APF-1，即溶液1中的基本活躍因子，后來(lái)證實(shí)這個(gè)蛋白質(zhì)就是泛素。,8,2020/8/26,5、發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)降解過(guò)程的機(jī)理 70年代末80年代初，三位科學(xué)家繼續(xù)進(jìn)行泛素分子的研究，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了泛素分子調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)降解的機(jī)理，從而解釋了蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)“死亡”的過(guò)程。,9,2020/8/26,2004年10月16日瑞典皇家科學(xué)院將本年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予

5、以色列科學(xué)家阿龍切哈諾沃、阿夫拉姆赫什科和美國(guó)科學(xué)家歐文羅斯，以表彰他們?cè)诜核卣{(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)降解研究領(lǐng)域中的卓越成就。,10,2020/8/26,生物體內(nèi)存在著兩類蛋白質(zhì)降解過(guò)程，一種是不需要能量的，比如發(fā)生在消化道中的降解，這一過(guò)程只需要蛋白質(zhì)降解酶參與，可以在小腸內(nèi)將食物降解為氨基酸；另一種則需要能量，它是一種高效率、指向性很強(qiáng)的降解過(guò)程。比如多數(shù)細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)降解需要能量，這是由于在細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的降解過(guò)程中發(fā)生了一系列的反應(yīng)，最終使得將要被降解的蛋白質(zhì)被一種多肽鏈所標(biāo)記，這就意味著細(xì)胞對(duì)蛋白質(zhì)降解具有很高的選擇性，這種標(biāo)記勢(shì)必需要一定的能量，而這種能量在生物體內(nèi)是以三磷酸腺苷的形式提供的。

6、,二、泛素-蛋白酶途徑概述,11,2020/8/26,蛋白質(zhì)的降解是一個(gè)精細(xì)控制的過(guò)程，首先有待降解的蛋白質(zhì)被一種多肽（稱之為泛素）所標(biāo)記，接著這些蛋白質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的蛋白酶復(fù)合體中，蛋白酶復(fù)合體是一個(gè)上下有蓋的圓桶狀酵素，它們?nèi)缤?xì)胞的垃圾桶，專門負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)的分解及再循環(huán)利用，泛素在這一過(guò)程中釋出訊號(hào)，讓蛋白酶復(fù)合體分辨出有待降解的蛋白質(zhì)。,二、泛素-蛋白酶途徑概述,12,2020/8/26,三、泛素蛋白酶體途徑( upp )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 - ac

7、tivating enzyme, E1 ) 、泛素偶連酶( ubiquitin - conjugating enzymes, E2 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(duì)不同調(diào)控機(jī)制的多樣性。,13,2020/8/26,泛素-Ubiquitin （Ub）的結(jié)構(gòu)與組成,泛素含有76個(gè)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

8、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。,14,2020/8/26,泛素分子調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)降解的機(jī)理,待降解的目標(biāo)蛋白,泛素化蛋白,蛋白酶體-泛素化蛋白復(fù)合物,肽鏈,泛素分子,蛋白酶體,泛素分子與目標(biāo)蛋白結(jié)合，此過(guò)程需要能量。,蛋白酶體與泛素化蛋白結(jié)合，開(kāi)始分解目標(biāo)蛋白。,目標(biāo)蛋白被分解,蛋白酶體和泛素分子可循環(huán)利用,15,2020/8/26,1.組成： 泛素分子是由76個(gè)a.a組成的小蛋白，分子量為8600，等電點(diǎn)PI為6.7。 2.結(jié)構(gòu)： Ub分子大約87%的肽鏈通過(guò)氫鍵形成二級(jí)結(jié)構(gòu)，二級(jí)結(jié)構(gòu)包括3個(gè)-螺旋，5個(gè)-折疊（-sheet），7

9、個(gè)-轉(zhuǎn)角（-turn）。,（一）泛素（Ubiquitin 簡(jiǎn)稱Ub）,16,2020/8/26,整個(gè)分子呈緊湊的球形，N-末端為較緊密的球狀結(jié)構(gòu)域，C-末端是松散的伸展結(jié)構(gòu)，具有高度的保守性。 C-末端的4個(gè)殘基從球形結(jié)構(gòu)中伸出供Ub與靶蛋白形成UB-蛋白復(fù)合物。 Ub-C末端的兩個(gè)Gly(75Gly和76Gly)不可替代，否則Ub分子將完全失活。,17,2020/8/26,3.Ub分子的穩(wěn)定性： 由于Ub分子包含一個(gè)顯著的疏水核，并富含大量氫鍵，因而Ub分子特別穩(wěn)定，對(duì)酸、堿、熱富于抵抗力，一旦折疊，能很快恢復(fù)天然狀態(tài)。 4.Ub分子的功能位點(diǎn)： a. C-末端的76Gly b. 48Lys

10、,18,2020/8/26,5.Ub分子的分布: Ub分子廣泛分布于各種真核生物中，從不同種類高等生物中得到的泛素的一級(jí)結(jié)構(gòu)幾乎相同。對(duì)植物、酵母、動(dòng)物中Ub分子的一級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，僅有1、2、3個(gè)a.a殘基不同，而其三維構(gòu)象也基本相同。,19,2020/8/26,(二)、泛素蛋白酶體途徑( upp )中其它相關(guān)酶,泛素活化酶( E1 )是催化泛素與底物結(jié)合所需的第一個(gè)酶。細(xì)胞內(nèi)僅有單一的泛素活化酶基因。利用不同的轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn),它可產(chǎn)生E1 a 和E1 b兩種泛素活化酶,它們的生物功能可能有所不同。 泛素偶連酶( E2 )是泛素與蛋白底物結(jié)合所需的第二個(gè)酶。細(xì)胞內(nèi)有多種泛素偶連酶基因,大多數(shù)泛素

11、偶連酶有一個(gè)1416 KD的核心,含有活性所必需的半胱氨酸殘基。在不同的泛素偶連酶間有約35%的同源性,這一區(qū)域可能參與泛素偶連酶和蛋白底物的結(jié)合。 泛素-蛋白連接酶是泛素與底物蛋白結(jié)合所需的第三個(gè)酶。泛素-蛋白連接酶在決定泛素介導(dǎo)的底物降解方面有特殊的作用。不同類型的泛素-蛋白連接酶間缺乏序列同源性,而且分子量差異較大,20,2020/8/26,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(guò)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(gè)不同的蛋白組裝成一個(gè)筒狀結(jié)構(gòu),由內(nèi)層

12、2個(gè)環(huán)和外層2個(gè)環(huán)組成, 每個(gè)環(huán)含有7個(gè)亞基,基本結(jié)構(gòu)可書(shū)寫成7777。亞基主要用于底物識(shí)別,亞基主要參與底物降解。19 s復(fù)合體由17或18個(gè)亞基組成,在特定條件下又可分成2個(gè)次級(jí)復(fù)合物,一個(gè)叫蓋子( lid) ,一個(gè)叫底座( base) 。底座由10個(gè)亞基組成,其中6個(gè)有ATP酶活性,它們與底物泛素化有關(guān),蓋子由8個(gè)沒(méi)有ATP酶活性的亞基組成,其中一個(gè)亞基Rpn11 /Pda / s13在泛素循環(huán)方面起重要作用。,21,2020/8/26,26S蛋白酶體的結(jié)構(gòu),22,2020/8/26,一個(gè)細(xì)胞大約含30000個(gè)細(xì)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

13、為7-9個(gè)氨基酸長(zhǎng)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(biāo)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(jìn)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(lái)。這一過(guò)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(xì)胞內(nèi)主要是通過(guò)E3類酶的特異性選擇并利用泛素加以標(biāo)簽，從而選擇正確的待降解蛋白質(zhì)。,23,2020/8/26,蛋白酶體：,24,2020/8/26,黑點(diǎn)表示活性區(qū)域，蛋白質(zhì)降解的場(chǎng)所,25,2020/8/26,由泛素介導(dǎo)的蛋白水解過(guò)程,分為2個(gè)階段。 第一階段:多個(gè)泛素分子與

14、靶蛋白共價(jià)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(gè)高能硫酯鍵,并伴有ATP水解; 然后,通過(guò)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(gè)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(gè)Lys殘基,在多聚泛素鏈結(jié)構(gòu)中,其中一個(gè)泛素的C - 末端Gly與相鄰的泛素之間通過(guò)Lys48、Lys63或Lys29連接。,四 、泛素蛋白酶體途徑過(guò)程,（一）、略解

15、,26,2020/8/26,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(guò)程。經(jīng)泛素活化的底物蛋白被展平后,通過(guò)兩個(gè)狹孔,進(jìn)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(jìn)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(gè)氨基酸殘基的小肽。 整個(gè)流程分為以下六個(gè)步驟： 1、E1類酶激活泛素，該過(guò)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(shí)別出需破壞的目標(biāo)蛋白質(zhì)，與目標(biāo)蛋白質(zhì)接近的E2-泛素復(fù)合體將泛素轉(zhuǎn)移至目標(biāo)蛋白質(zhì)； 4、E3類酶釋放出被泛素標(biāo)記的蛋白質(zhì)； 5、被標(biāo)記的蛋白質(zhì)分子尾端形成一

16、小段泛素分子鏈； 6、泛素分子鏈在蛋白酶體的端口被識(shí)別并脫離蛋白質(zhì)，目標(biāo)蛋白質(zhì)進(jìn)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。,（一）、略解,27,2020/8/26,在此過(guò)程中，需要泛素分子、三種細(xì)胞中天然存在的泛素酶Ub活化酶（E1）、Ub結(jié)合酶（E2）和Ub蛋白質(zhì)連接酶（E3）以及蛋白酶體的參與。,（一）、略解,28,2020/8/26,29,2020/8/26,30,2020/8/26,泛素通過(guò)E1和E2被激活的過(guò)程稱為泛素的活化。泛素的活化過(guò)程是一個(gè)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

17、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(guò)轉(zhuǎn)?；饔檬蛊溥M(jìn)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Lys殘基的氨基形成共價(jià)鍵,由第一個(gè)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;,四、泛素蛋白酶體途徑過(guò)程,（二）、詳解,31,2020/8/26,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(shí)的底物多是些堿性蛋白(如組蛋白)

18、 ,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)；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(lái)。,32,2020/8/26,去泛素化作用是泛素化過(guò)程的逆轉(zhuǎn)。在真核細(xì)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

19、把錯(cuò)誤識(shí)別的底物從泛素化復(fù)合體中釋放出來(lái)。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(guò)程,促進(jìn)泛素再循環(huán),對(duì)泛素系統(tǒng)的正常運(yùn)行是很有必要的。 （2）泛素特異性加工酶( ubiquitin - spicific 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。,33,2020/8/26,（一）、生化功能,1介導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)某些多余

20、的、暫時(shí)不需要的或異常蛋白質(zhì)的降解，以調(diào)控細(xì)胞代謝消除它們對(duì)細(xì)胞的危害。 2參與某些重要蛋白質(zhì)翻譯后的修飾和改造，調(diào)節(jié)其功能。 3參與離子通道、分泌的調(diào)控及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、細(xì)胞器的形成,五、UPP途徑生物學(xué)意義,34,2020/8/26,1、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類分子提呈到細(xì)胞表面,再被細(xì)胞毒性T細(xì)胞(CTL)識(shí)別。 2、調(diào)節(jié)細(xì)胞周期： UPP調(diào)節(jié)降解調(diào)節(jié)蛋白,如細(xì)胞周期因子、信號(hào)傳導(dǎo)蛋白等,在控制細(xì)胞周期尤其是生殖細(xì)胞方面起重要作用。細(xì)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(xì)胞有絲分裂期中止。細(xì)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。,（二）、一些生理學(xué)功能,35,2020/8/26,（三）、UPP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(biāo)底物蛋白識(shí)別基序的改變,而導(dǎo)