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1、泛素调节的蛋白质降解,2013-10-07,2004年诺贝尔化学奖,2004年10月6日，两名以色列科学家阿龙切哈诺沃（Aaron Ciechanover）、阿夫拉姆赫什科（Avram Hershko）和一位美国科学家欧文罗斯（Irwin Rose因为发现了泛素（Ub）调节的蛋白质降解，而授予他们诺贝尔化学奖，以表彰他们的成果和努力。,生物体内蛋白质的两种降解过程:,一种：溶酶体，不需要能量，无选择性的降解。主要是降解细胞通过胞吞作用摄取的外源蛋白质。另一种：需要能量，高效率、指向性很强的降解过程。比如多数细胞内的蛋白质降解。这个过程需要泛素调节蛋白质降解，即泛素蛋白酶体途径(UPP)介导的蛋
2、白水解过程,泛素调节的蛋白质降解概述,蛋白质的降解是一个精细控制的过程，首先有待降解的蛋白质被一种多肽（称之为泛素）所标记（蛋白质的泛素化），接着这些泛素化的蛋白质进入细胞的蛋白酶复合体的活性位点，蛋白质被降解成79个氨基酸长度的短肽片段后，从蛋白酶体的另一段被释放。,泛素蛋白酶体途径(upp)的组成,泛素蛋白酶体途径(upp)由泛素(ubiquitin,ub)以及一系列相关的酶组成。除泛素以外还包括4 种酶家族:泛素活化酶(E1)、泛素偶连酶(E2)也称泛素载体蛋白()、泛素-蛋白连接酶(,E3)和蛋白酶体(proteasome)。,泛素调节蛋白质降解的发现史,1953年，当时Simpson
3、 利用放射性同位素标记法进行蛋白质代谢实验，并随后发表了名为“生物细胞中的蛋白质分解中需要代谢能量即需要ATP的加水分解”的论文，但是，这个惊人的研究发现并没有引起科学界的广泛重视，甚至为人们所忽略。在当时的热力学研究中，水分解反应是产能反应，与合成反应需要能量的过程是截然不同的。,泛素调节蛋白质降解的发现史在1960年，人们发现了溶酶体这个及其重要的细胞器，他被认为是蛋白质降解的重要场所。后来人们发现了溶酶体抑制剂，经过细胞溶酶体机能抑制剂的作用后，细胞内任然存在部分蛋白质的分解难以抑制。表明在细胞内存在与溶酶体不同的蛋白分解系统。,在1975年，就有人从牛胸腺中分离出一种含76个氨基酸残基
4、的多肽，相对分子质量为8.45ku,后来被证实具有标记待降解蛋白质的作用，由于它广泛存在于生命体，因此被命名为“泛素”。1977年，Goldberg等发表一篇“他们在试管内再次发现Simpson所观察到的现象”的论文。这篇论文引起了科学界对Simpson的发现的强烈关注。Goldberg等报道网织红细胞(未发育成熟的红细胞）的提取液中加入ATP显著促进了蛋白质的分解，也就是说蛋白分解伴随着能量的消耗，在细胞外，蛋白质在蛋白酶的催化下水解释放能量，蛋白质在细胞内被降解却需要能量，给科学家们造成了很大的困扰。,1977年开始Avram Hershko致力于研究网状细胞提取物。在试图利用色谱法除去血
5、红蛋白的过程中，Aaron Ciechanover和Avram Hershko发现此提取物可被分为两个部分，当两部分融合在一起时，就会产生ATP依赖性的蛋白质降解。1978年，他们认为这种活性来源于一个多肽。这种多肽（APF-1）分子量只有9000，即为泛素。,1980年发表了两篇文章，第一篇指出APF-1可以与提取物中的许多蛋白质以共价键的形式结合。第二篇文章中，作者进一步阐述一个蛋白质分子能够与多个APF-1分子结合的现象，这种现象被称为多泛素化。蛋白质底物的多泛素化是引导其降解的信号。研究者们推测，细胞正是通过对以ATP形式储存的能量的需求，控制泛素引导的蛋白质降解过程的特异性的。,“多
6、步泛素引发”学说,在后来的研究中，三位科学家及其成员们发现了与此相关的3种酶，分别命名为E1、E2、E3，并且在据此提出了“多步泛素引发”假说，即在人体细胞中含有多种E1酶、E2酶、E3酶。蛋白质在细胞内的降解的过程：（1）E1酶激活泛素分子，此过程需要消耗能量；（2）泛素分子被转移到E2酶上；此上过程被称为泛素活化（3）E3酶识别待降解的目标蛋白质（靶蛋白），E2-泛素复合物结合到目标蛋白质附近，泛素标记物从E2酶转移到目标蛋白质上；（蛋白质的泛素化）（4）E3酶释放已被泛素标记的蛋白；,多步泛素引发学说,（5）重复最后一步，直至蛋白质上连接的多个泛素形成一条短链；（6）泛素短链在蛋白酶体开
7、口处被识别，泛素标记物被切除，蛋白质被切割成小片段。,视频,蛋白质的泛素化,E1与ATP结合后，催化泛素羧基末端腺嘌呤化，同时释放无机焦磷酸（PPi）。E1活化位点的半胱氨酸硫醇激活泛素腺嘌呤核苷酸中间产物上的羧基，形成一个泛素硫酯键。E2激活的重要条件是位于UBC结构域的一个保守半胱氨酸催化位点与泛素羧基端形成一个硫酯键。E3催化被E2活化的泛素C-端甘氨酸与底物或下一个泛素的赖氨酸间形成泛素异肽键(Isopeptide bond)。,蛋白质泛素化,返回,蛋白酶体,每个人体细胞中含有30000个呈桶状的大小约为20S蛋白酶体，他们能够将几乎所有的蛋白质降解成7到9个氨基酸长度的肽链。蛋白酶体
8、降解蛋白质的活性中心位于桶状结构的中心，与细胞中其他部分隔绝。进入活性部位的唯一通路是“锁”（lock，一种19S的复合物），它能够识别被泛素化的蛋白质，破坏其折叠结构，并辅助蛋白质穿过蛋白酶体的狭窄通道，进入位于桶状结构中心的活性位点。,蛋白酶体,在活性位点目标蛋白质被降解成79个氨基酸长度的短肽片段后，从蛋白酶体的另一段被释放。此外，19S复合物上还含有一种异肽酶，能够将泛素从底物蛋白质上除去（去泛素化）。因此，蛋白酶体本身对蛋白质并没有选择性，具有选择性的是E3酶，它只对待降解的蛋白质进行泛素化标记。,蛋白酶复合体,蛋白质的去泛素化,去泛素化作用是泛素化过程的逆转。在真核细胞内已发现多种
9、去泛素化酶,它们能够水解泛素和底物蛋白之间的硫酯键,还能把错误识别的底物从泛素化复合体中释放出来。它们又可以分为两类:（1）泛素羧端水解酶(ubiquitin C-terminal hydrolases(UCHs)：分子量为2030 KD,水解去除和泛素C末端连接的小肽,也参与泛素多聚体产生泛素单体的过程,促进泛素再循环,对泛素系统的正常运行是很有必要的。（2）泛素特异性加工酶(ubiquitin-spicific prote2ases-UBPs/USPs)：分子量大约为100 KD,参与去除和解聚底物蛋白质上的多聚泛素键,从而防止多聚泛素在底物蛋白的聚集。,研究的进展,一、泛素样蛋白的来源
10、蛋白质与泛素蛋白或泛素样蛋白（UBL）相结合，UBL蛋白可以控制被修饰蛋白与其它生物大分子（比如蛋白酶体或染色质）间的相互作用。有越来越多的证据表明这种UBL修饰途径来自原核生物的硫转移酶系统及相关酶类。而且，在真核生物的共同祖先中，类似于UBL连接酶和UBL去连接酶的蛋白也是广泛存在的，这些证据都说明UBL修饰系统不是起源于真核生物。,研究的进展,二、泛素调节的蛋白质降解与人体免疫 泛素化修饰过程是一种可逆的共价修饰过程，它能够调节被修饰蛋白的稳定性、功能活性状态以及细胞内定位等情况。泛素化修饰作用在人体免疫系统的发育以及免疫反应的各个阶段，比如免疫反应的起始、发展和结束等过程中发挥了重要作
11、用。最近的研究结果显示，有好几种泛素连接酶都参与了防止免疫系统攻击自体组织的过程。,二、泛素调节的蛋白质降解与人体免疫,1、泛素蛋白在天然免疫（天然免疫是我们与生俱来的一种非常有效的免疫机制，它是人体抵御外来侵袭的第一道防线。）中的作用。2、泛素化修饰途径在获得性免疫机制（获得性免疫机制是受到能表达各种抗原受体的T细胞和B细胞调控的一种机体免疫机制）中的作用3、泛素修饰系统在自身免疫机制中的作用,泛素调节蛋白质降解的研究展望,对此项内容的研究可以帮助我们从分子水平来理解一些重要的生化过程,*细胞分裂*DNA 的修复*基因复制*新生蛋白质的质量控制*解释免疫系统的工作方式,*探索一些疾病的发生机
12、理,（癌症）,泛素调节蛋白质降解的研究展望,泛素调节的蛋白质降解过程在生物体内的作用非常重要。细胞内无用的蛋白质，细胞本身合成的错误的蛋白质,都要通过此途径来降解。另外对癌细胞蛋白质的降解也有很大的作用。目前,在世界各地的很多实验室中,科学家在艰苦不懈地发现和研究与这一降解过程相关的新功能。未来癌症的克服或许要用到泛素调节蛋白质降解过程中 的去泛素化这一生理机能。,走你,泛素调节的蛋白质降解与癌症,MCL1是维持祖细胞和干细胞多能性的重要基因，并且在泛素化的过程中MCL1对BCL2(与细胞凋亡有关)前体存活也具有重要的意义。过高的MCL1表达量会促进癌症细胞对化疗产生抗药性，并且能促使癌症复发
13、。而关于MCL1过量表达的机制却了解不多。在本研究中，科学家们发现去泛素化酶USP9X具有稳定MCL1表达，维持癌细胞稳定的功效。USP9X能结合在MCL1上，并停止Lys48连接的多聚泛素化链反应。,泛素调节的蛋白质降解与癌症,在淋巴瘤和B细胞淋巴瘤中，增加USP9X的表达量可促进MCL1蛋白的表达量。USP9X为广泛表达的一个基因，其编码蛋白为泛素水解酶。此外，研究发现USP9X过量表达的患者往往预后不良，敲除USP9X可增加MCL1的泛素化活性，可有效改变MCL1的表达。这些结果都表明，USP9X是癌症患者预后的评价标志，也可能是一个新的癌症治疗靶位。去泛素化可能是癌细胞维持稳定的机制。
14、（摘自nature）,针对泛素修饰系统的肿瘤治疗方案,1.泛素连接系统是致癌信号通路的重要治疗靶标 2.针对泛素连接酶的治疗方法 3.E3连接酶与肿瘤血管形成之间的关系 4.针对抗凋亡蛋白 5.去泛素化酶在肿瘤进展中的作用 6.针对肿瘤细胞的蛋白酶体 7.非降解途径的泛素化修饰作用与肿瘤发生之间的关系 8.干扰泛素蛋白识别过程 9.SUMO修饰过程与癌症的关系 10.未来还将面临的挑战,参考文献,1、化学教育2004 年第 11 期泛素调节的蛋白质降解 2004 年诺贝尔化学奖简介 李炎武 谭卫兵 邝雪英 张伟2、临床与实验病理学杂志 2008 Dec;24(6)去泛素化酶的研究及其进展 王素
15、霞,刘 媛,吴慧娟,张志刚3、生命奥妙泛素化途径与人体免疫系统调节 Sep 21,2010 2 4、Ubiquitin-Mediated Proteolysis in Learning and Memory Daniel G.Chain,James H.Schwartz*and Ashok N.Hegde CommentsMolecular Neurobiology Copyright 5、The Ubiquitin-Proteasome System:Death of Proteins is Required for Life of Cells6、BULL ETIN OF SCIENCE A
16、ND TECHNOLOGY第 24 卷 第 1 期 2008 年 1 月泛素2蛋白酶体系统的结构、作用和调控机制 金伟军,姚祥春,吕美巧,张礼星(,参考文献,7、Progress in modern biomedicine 2008 vol.8 No.9 泛素-蛋白酶体途径及其生物学作用的研究进展 郭 卉 张雪竹8、Journal of International Pharmaceutical Research 2009 Oct；36(5)蛋白酶体抑制剂的研究进展 牟科，付翌秋，徐萍 9、药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica 2009,44(12):13131319 泛
17、素-蛋白酶体及其抑制剂的分类与合成 李 景,张大永 吴晓明 10、遗 传 HEREDITAS(Beijing)28(12):15911596,2006 专论与综述 DOI:10.1360/yc-006-1591 泛素介导的蛋白质降解与肿瘤发生 李艳凤,张 强,朱大海,参考文献,11、12、13、Mark Hochstrasser.(2009)Origin and function of ubiquitin-like proteins.Nature,458:422-429.14、Science：蛋白质泛素化机制研究新进展,选择网织红细胞是独具慧眼的。Goldberg等注意到网织红细胞向红细胞最终分化时候，不再需要的核，细胞器，溶酶体等细胞内的蛋白质在细胞内快速分解，也就是在蛋白质合成活跃的网织红细胞中，其分解活性也非常高。可以这么说，这个选择决定了一切。实际上，如果不是在网织红细胞的提取液中加入ATP，离体进行Simpson 的实验观察，泛素的发现可能还要等上好多年。,
