2004年诺贝尔化学奖

2004年诺贝尔化学奖泛素介导的蛋白质降解目录一̖人物简介二̖泛素介导的蛋白质降解的内容三̖泛素介导的蛋白质降解的应用四̖展望2004年度诺贝尔化学奖授予两位以色列科学家阿龙·切哈诺沃、阿弗拉姆·赫尔什科和美国科学家欧文·罗斯，以表彰他们发现了泛素调节的蛋白质降解，也就说说他们发现了一种蛋白质死亡的重要机理。一̖人物简介欧文·罗斯阿龙·切哈诺沃阿弗拉姆·赫尔什科•阿龙·切哈诺沃（AaronCiechanover）博士，以色列生物学家、化学家，第一位获得科学类诺贝尔奖的以色列人，以色列人文和自然科学院院士、美国国家科学院外籍院士、中国科学院外籍院士，中国南京大学名誉教授，南京大学化学与生物医药科学研究所所长。1947年生于以色列海法，1981年在以色列海法工学院获医学博士学位，1984年在麻省理工学院从事博士后研究，1980年在以色列海法市工学院任教，1992被聘为教授。2004年诺贝尔化学奖。2013年12月19日当选中科院生物化学部外籍院士。•阿弗拉姆·赫尔什科1937年出生在匈牙利，犹太后裔，13岁移民以色列，现年67岁，1969年在耶路撒冷希伯来大学获得医学博士学位，曾在旧金山加州大学从事研究，1972年起在以色列工学院任教。2004年10月6日获诺贝尔化学奖•欧文·罗斯现年78岁，1952年在芝加哥大学获得博士学位，现就职于美国加利福尼亚大学欧文分校。三名获奖者自20世纪70~80年代以来就一直致力于这一领域的研究。•1970年代末，赫什科借着带薪休假的机会，带着当时还是博士后的切哈诺沃，到美国费城福克斯·蔡斯癌症研究中心的罗斯实验室进行访问研究，在那里完成了三位获奖者的大部分合作研究，发表了一系列生物化学论文。•在宣布大厅，切哈诺沃笑言，还没来得及把消息告诉亲朋好友，也没想以后怎么用这笔奖金，“在此刻，我觉得我已经不是我自己了！当记者问到，作为一名非美国人赢得科学类的诺贝尔奖有什么感受，他激动地说：“我深深为我的祖国感到骄傲！”切哈诺沃还说，他相信他们的发现对攻克癌症以及多种疾病会有很大帮助。二̖泛素介导的蛋白质降解1̖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)介导的蛋白水解过程生物体内细胞中蛋白质的降解异常蛋白短周期蛋白内质网相关蛋白长周期蛋白膜蛋白细胞外蛋白泛素-蛋白酶体途径溶酶体途径氨基酸小肽80-90%10-20%2̖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7~9个氨基酸长度的短肽片段后，从蛋白酶体的另一段被释放。3̖泛素的结构与组成泛素含有76个氨基酸残基,广泛存在于真核生物,目前尚未发现泛素存在于原核生物中，泛素的氨基酸序列极其保守。泛素基因主要编码两种泛素前体蛋白质:一种是多聚泛素,另一种是泛素融合蛋白。4̖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)。5̖蛋白酶体•每个人体细胞中含有30000个呈桶状蛋白酶体，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。•在活性位点目标蛋白质被降解成7~9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。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。6̖“多步泛素引发”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）1、E1类酶激活泛素，该过程需要ATP（三磷酸腺苷）提供一定能量；•（2）泛素分子被转移到E2酶上；•（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；•（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口处被识别，泛素标记物被切除，蛋白质被切割成小片段。泛素介导的蛋白质降解过程泛素分子激活E1被激活E2需降解的蛋白质E3被激活的泛素分子多泛素化E2蛋白酶体ATP降解泛素介导的蛋白质降解过程7̖泛素识别靶蛋白的机制•靶蛋白通过被泛素途径的酶E2或E3识别而被泛素化修饰，通常是通过识别靶蛋白的特定Lys残基而将泛素连接到靶蛋白上。有时对靶蛋白的识别还需要特定位点的磷酸化并且要达到一定的磷酸化阈值。•除此之外还有另外两种识别机制，即N-end规则和一种新的区别于N-end规则的N端氨基酸残基识别机制•N-end规则一般是针对于不稳定的蛋白质而言(若N端第一个氨基酸是Phe、Leu、Trp、Tyr、Ile、Arg、Lys和His等时此蛋白质为不稳定蛋白质)[27]，泛素系统识别靶蛋白N端的不稳定氨基酸，然后将泛素连接到靶蛋白特定或非特定的Lys残基的ε氨基基团上。•区别于N-end规则的N端氨基酸残基识别机制一般是针对于某些N端并不是不稳定氨基酸残基的靶蛋白，泛素系统识别靶蛋白N端氨基酸序列蕴涵的泛素化修饰信息从而将靶蛋白泛素化标记。对于此种识别机制，Lys残基不是必须，靶蛋白中所有Lys残基被剔除后仍然被泛素化修饰降解，但与野生型相比泛素化修饰率偏低；与此相对应的是N端氨基酸残基的去除则导致此蛋白质不能被泛素化修饰。•此结果说明了此种识别机制中是N端氨基酸残基而不是靶蛋白中的Lys残基决定了靶蛋白的泛素化修饰。但保留靶蛋白的N端氨基酸残基而将N端氨基酸序列中的一个或某几个氨基酸残基替换也会导致靶蛋白不能被泛素化修饰[28]，此结果说明了是N端氨基酸序列而不是N端第一个氨基酸蕴涵了靶蛋白的泛素化修饰信息。通常靶蛋白的特异性是由E2或E3决定的，但现在发现多聚泛素链连接蛋白可以将靶蛋白招募到蛋白酶体，并且对泛素蛋白酶系统特异性选择靶蛋白起一定作用8̖泛素化和去泛素化泛素通过E1和E2被激活的过程称为泛素的活化。泛素的活化过程是一个依赖ATP的酶促反应：①首先泛素活化酶(ubiquitinactivatingenzymeE1)催化泛素C末端的甘氨酸(Gly)形成Ub－腺苷酸中间产物,然后激活的泛素C末端被转移至E1酶内Cys残基的－SH键上,形成高能硫酯键;②含有高能硫酯键的泛素通过转酰基作用使其进一步转移到泛素载体蛋白(ubiquitinconjugatingenzyme,E2)特异的Cys残基上,形成E2－Ub巯基酯;E2－Ub巯基酯提供泛素分子,使泛素C端甘氨酸与底物蛋白的Lys残基的氨基形成共价键,由第一个泛素单体与底物蛋白内部的Lys残基的ε氨基(或β氨基)结合;③泛素可以直接从E2转移给底物蛋白形成Ub蛋白复合物,这时的底物多是些碱性蛋白(如组蛋白),而在大多数情况下,底物蛋白先与泛素连接酶(ubiquitinligatingenzyme,E3)特异性结合,E3可使E2和底物蛋白相互接近,继而蛋白底物与E2酶连接的泛素结合,这样就完成了底物蛋白质的泛素化。•1和3：E1、E2催化的泛素激活反应，消耗ATP；2：E3催化的蛋白质激活反应，消耗ATP；4：依赖于E3的蛋白质泛素化反应；5：不依赖于E3的蛋白质泛素化反应；6：26S蛋白体催化蛋白质水解；7和8：异肽酶催化的水解反应，使泛素游离出来。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(ubiquitinC-terminalhydrolases(UCHs))：分子量为20～30KD,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-spicificprote2ases-UBPs/USPs)：分子量大约为100KD,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。9̖泛素调节蛋白质降解的发现史•1953年，当时Simpson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。•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年开始阿弗拉姆·赫尔什科致力于研究网状细胞提取物。在试图利用色谱法除去血红蛋白的过程中，阿龙·切哈诺沃和阿弗拉姆·赫尔什科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。三̖泛素介导的蛋白质降解的应用•UPP参与的生物学功能1、抗原提呈：抗原分子泛素化后被26s蛋白酶体降解成多肽,然后由组织相容性复合体(MHC)I类分子提呈到细胞表面,再被细胞毒性T细胞(CTL)识别。2、调节细胞周期：UPP调节降解调节蛋白,如细胞周期因子、信号传导蛋白等,在控制细胞周期尤其是生殖细胞方面起重要作用。细胞周期因子先被泛素化,然后由26s蛋白酶体降解,导致周期因子依赖的激酶失活,从而使细胞有丝分裂期中止。细胞周期因子-周期因子依赖的激酶复合体可由它们特定的抑制因子使其失活,这些抑制因子也由泛素-蛋白酶体途径降解。•UPP与疾病UPP与许多人类疾病有关。与泛素相关的疾病可分为2种:一种是泛素体系酶的突变导致的功能丧失或者是目标底物蛋白识别基序的改变,而导致某种蛋白的稳定。另一种是目标蛋白功能不正常或加速降解的结果。泛素蛋白酶体途径是细胞内环境稳定的关键调节因素,细胞的许多重要蛋白都在此通路的调控之下。泛素蛋白酶体通路对细胞内信号转