泛素化蛋白修饰

泛素化蛋白修饰ProteinModificationbyUbiquitination北京协和医学院研究生课程：细胞信息与调控2010年10月13日TheCentralDogma（Revised)DNARNAProteinBreakdownModification&DegradationE1-E1E2-E2底物E3ATPAMP+PPiUbUbUb蛋白酶体泛素－蛋白酶体通路Ub:泛素(Ubiquitin)，一高度保守的，由76个氨基酸组成的多肽。E1:泛素激活酶(Ubiquitin-activatingenzyme)，人类仅有2种E1。E2:泛素载体蛋白(Ubiquitin-carrierprotein)，人类约有30种E2s。E3:泛素－蛋白连接酶(Ubiquitin-proteinligase)，人类有500多种E3s。9泛素化(ubiquitination)即蛋白质被泛素(ubiquitin，由76个氨基酸组成的多肽）共价修饰的过程，在几乎所有的真核细胞活动中起着关键作用。泛素–蛋白酶体(proteasome)通路则是真核细胞内最主要的蛋白质降解途径。泛素化调控的细胞活动至少包括:细胞周期（Cellcycleprogression）细胞凋亡（Apoptosis）转录调控（Transcriptionalregulation）DNA修复（DNArepair）免疫应答（Immuneresponse）蛋白质降解及质量控制（Proteindegradationandqualitycontrol)2TheNobelPrizeinChemistry2004forthediscoveryofubiquitin-mediatedproteolysisAaronCiechanoverAvramHershkoIrwinRose阿龙.西查诺瓦阿夫拉姆.赫希科欧文.罗斯3近年与泛素－蛋白酶体相关的PubMed论文数在持续增长40500100015002000250030003500400045005000200420052006200720082009Ub/ProteasomeCyclinHistonemiRNA篇数年份本专题内容1.泛素－蛋白酶体通路的组成及重要性2.泛素化与泛素化酶3.去泛素化酶4.泛素化异常与人类重大疾病的发生5.蛋白酶体构成6.蛋白酶体抑制剂与药物7.调节蛋白酶体活性的新机制8.类泛素蛋白（SUMO,NEDD8,ISG15,APG8,APG12，PUP等）5中国协和医科大学出版社，2008年《泛素介导的蛋白质降解》Ubiquitin-MediatedProteolysis主编：邱小波王琛王琳芳参考书陈竺和诺贝尔奖得主AaronCiechanover作序蛋白质泛素化研究简史1975年，Goldstein误将泛素（Ubiquitin)当作胸腺激素而发现。1977年，Goldknopf和Busch认定组蛋白2A与泛素以异肽键（IsopeptideBond）结合。1977年，Goldberg证明人类细胞中存在一可溶的，直接依赖于能量的非溶酶体类蛋白酶。1978年，Ciechanover和Hershko发现了APF-1是Goldberg系统中蛋白酶系的必要成分，结果发表在BBRC。1980年，Ciechanover，Hershko和Rose等人证明了APF-1与当时已被发现的泛素是同一物质。1984年，Finley和Varshavsky等发现泛素在细胞周期中的重要性。1987年，Goldberg和Rechsteiner两个小组几乎同时分离出分子量很大的依赖于ATP并降解泛素化底物的蛋白水解酶。1988年，Goldberg将这种蛋白水解酶命名为Proteasome（蛋白酶体）。1997年，Yeh等小组发现类泛素蛋白SUMO和NEDD8的功能。2003年，美国FDA批准了用Velcade来治疗多发性骨髓瘤；Velcade是在Goldberg发明的蛋白酶体抑制剂MG132的基础上研发而成的。2004年，Ciechanover，Hershko和Rose因发现泛素介导的蛋白质降解共同获得诺贝尔化学奖。2008年，Darwin等在细菌中发现类泛素化修饰。7Figure8-34Ubiquitin(泛素）泛素由76个氨基酸残基组成，其中包括7个赖氨酸残基(K),其C末端可与底物的赖氨酸残基形成异肽键，从而引起底物泛素化。泛素的K11、K29、K48和K63均能参与形成泛素与泛素间的异肽键(Isopeptidebond)。10E1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(Isopeptidebond)。11调节蛋白质内吞，修饰和转录靶蛋白必须经多聚泛素(多于4个泛素分子)修饰才能被蛋白酶体识别与降解。泛素化模式（UbiquitinationModes）调节蛋白质的活性和定位K48polyubiquitylationK63polyubiquitylationMonoubiquitylationMultiplemonoubiquitylation12a.RINGfingerdomain（SCF复合体，APC，MDM2，Parkin,和c-Cb1）b.U-boxdomain（CHIP)c.HECTdomain（能与底物形成硫酯键)d.N-EndRuleE3的种类13E3泛素连接酶以单体和复合体两种形式存在14AmerikandHochstrasser,2004去泛素化作用（Deubiquitination）15泛素-C-末端水解酶，通常参与蛋白降解后泛素分子的再利用及对多聚泛素链的修饰，也参与由泛素前体产生泛素单体的过程（如UCH37、UCH-L1)。泛素特异性蛋白酶，参与去除蛋白质上的多聚泛素链，也可从短泛素链的末端去掉单个泛素（如USP8)。去泛素化酶属半胱氨酸蛋白酶，目前已发现90多种。去泛素化酶可分为两类：去泛素化酶(Deubiquitinatingenzyme)16泛素化途径的异常与人类重大疾病•神经退行性疾病（如帕金森氏症）：Parkin,UCH-L1•癌症:BRCA1,CYLD,Mdm2,Nrdp1,pVHL•传染病病原体的入侵、致病机制:E6-AP17泛素连接酶Parkin的失活与帕金森氏症（AR-JP)CurrentOpinioninNeurobiology2004,14:384–38918CurrentOpinioninNeurobiology2004,14:384–389ParkinSubstrates19UCH-L1为一去泛素化酶，它在帕金森氏症病人中的突变可能导致其酶活性的丧失，减少了泛素自由单体的供应及底物蛋白的降解，进而导致黑质病变。帕金森氏症中的去泛素化20—————————————————————————————————————————失调蛋白底物修饰肿瘤类别————————————————————————————————————————SKP2p27(KIP)PolyubiquitylationMalignantmelanomaMDM2p53PolyubiquitylationNon-small-celllungcancer,soft-tissuecarcinoma,colorectalcancerHAUSPp53,MDM2De-ubiquitylationNon-small-celllungcancerlymphomaAPCCyclinB,PolyubiquitylationColorectalcancersecurinFANCLFANCD2MonoubiquitylationFanconianaemia-relatedcancersCYLDIKKγDe-ubiquitylationCylindromatosisIAP2BCL10PolyubiquitylationMALTlymphomasCBLRTKsMultipleLymphoma,AMLandmonoubiquitylationgastriccarcinomapVHLHIFPolyubiquitinationvonHippel-Lindaudisease—————————————————————————————————————————泛素化失调与肿瘤211394470684956N末端C末端TRAF2结合位点CYLD具有TRAF2（TNF-receptor-associatedfactor2，为IκB的泛素连接酶)结合位点，可促进IκB的去泛素化。去泛素化酶CYLD的突变与圆柱瘤Cylindromatos的发生相关22CYLD促进IκB的去泛素化，从而抑制NF-κB的活性23NENGLJMED2004,350:187-188圆柱瘤Cylindromatos也称“头帕肿瘤综合症”(turbantumoursyndrome),其患者细胞CYLD的两个等位基因都发生了突变，结果使患者细胞中CYLD丧失功能，导致核转录因子NF-κB的过度活化；启动基因的转录，导致细胞的过度增殖24泛素连接酶Mdm2和E6-AP与p53的降解和癌症25UbiquitinationoccursonhistonesH1,H2A,H2BandH3.Thismodificationondifferenthistonesplaysdistinctrolesinregulationofchromatinstructures,andhencegeneexpressionandgenomestabilityUbiquitinationandtranscriptionalregulationUbiquitinationofhistoneH2AandH2Bhasoppositeeffectsontranscription.UbiquitinationofH2Bisassociatedwithgeneactivation,whileH2AubiquitinationcontributestogenesilencingWangetal.,NATURE|VOL431|14OCTOBER2004Leeetal.,Cell131,1084–1096,2007HistoneCrosstalkbetweenH2BMono-ubiquitinationandH3MethylationMediatedbyCOMPASSCps35IsRequiredforTranslatingHistoneCrosstalkbetweenH2BMonoubiquitinationandH3MethylationbyCOMPASS1.Nrdp1是一新的含有RINGfinger结构域的泛素连接酶。RINGFingerSubstrate-BindingRegionNrdp1是一促进ErbB3及BRUCE泛素化和降解的泛素连接酶2.ErbB3是表皮生长因子受体家族(EGFRfamily)成员之一，在生长，发育及细胞存活中起着关键的作用。该家族与许多肿瘤密切相关，已成为癌症治疗的重要标靶之一。3.BRUCE/Apollon是一含有BIRdomain（凋亡抑制蛋白的标志性结构域）和E2domain的巨型(530kDa)膜蛋白BIRdomainE2(ubiquitin-carrier)domain26Nrdp1促进细胞凋亡并可能与癌症和帕金森氏症相关Nrdp1ApoptoticStimuliPI3kinaseAKT/PKBIKKabErbB3I-BPNF-BactivationApoptosisCaspase-3/7Pro-casp-9Caspase-9OtherIAPs(e.g.,c-IAP1)SmacSmacprecursorPark